CC BY
45
ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ СРЕДСТВАМИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
УДК 620.9:502.14:62.83
И.Я. Браславский, д-р техн. наук, проф, зав. кафедрой, (343) 375-45-66, braslav@ep.etf.ustu.ru (Россия, Екатеринбург, УрФУ), А.В. Костылев, канд. техн. наук, доц., (343) 375-45-66, kostylev@ep.etf.ustu.ru (Россия, Екатеринбург, УрФУ), Д.В. Цибанов, асп., (343) 375-45-66,
dmitry.tsibanQv@gmaü.com (Россия, Екатеринбург, УрФУ)
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ЦИКЛИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ
Рассматривается возможность оптимизации энергопотребления частотно-регулируемых электроприводов при работе с циклической нагрузкой. Приводится алгоритм работы системы. Выполнено сравнение потерь энергии исследуемого варианта с оптимальным управлением по минимуму тока статора в статических режимах.
Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, оптимизации энергопотребления, алгоритм работы системы, сравнение потерь энергии.
Введение
Энергосбережение, снижение электропотребления, как направление инженерной деятельности, приобретает в последнее время особую актуальность. Энергосбережение является наиболее дешевым и безопасным способом увеличения энергогенерирующих мощностей поскольку затраты на экономию одного киловатта мощности обходится в 4 - 5 раз дешевле, чем стоимость вновь вводимого киловатта мощности [1]. С другой стороны, развитие интеллектуальных возможностей управляющих систем позволяет рассмотреть новые подходы к решению известных задач обеспечения энергоэффективности.
В данной работе рассматривается задача обеспечения энергоэффективной работы частотно-регулируемых электроприводов с переменной, плавно меняющейся нагрузкой (такой характер нагрузки имеют, например,
станки-качалки) при использовании поисковых алгоритмов оптимизации. Несмотря на широкую известность поисковых экстремальных систем регулирования, широкое применение они получают только последнее время благодаря доступности мощных управляющих цифровых систем.
Принцип работы поисковой системы основан на вариации закона периодического изменения потока ротора для асинхронного электропривода с векторным управлением с целью минимизации потерь энергии на цикле нагрузки. Для механизмов, работающих продолжительное время, оптимизация может быть выполнена непосредственно на объекте без предварительного обучения и настройки. Это существенно сокращает время на проектирование и наладку оборудования, а также обеспечивает универсализацию подхода.
Модель исследуемой системы
Для решения задачи оптимизации используется упрощённая модель векторной системы регулирования без учета динамики контуров регулирования токов статора. Также предполагется идеальной ориентация системы координат. Такое допущение возможно при анализе относительно медленных процессов в объекте. Структурная схема исследуемой системы приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема векторной САР скорости: РПС - регулятор потокосцепления ротора; ЗПС - звено потокосцепления; РС - регулятор скорости; РМ - регулятор момента
Отметим, что в оптимизируемой системе решение технологической задачи (регулирование скорости) выполняется независимо от оптимизации энергопотребления. Таким образом, технологический процесс не требует коррекции.
Анализ потерь мощности выполнялся путём интегрирования выражений для составляющих потерь по времени, вычисление составляющих потерь производилось по методике, предложенной в [2]:
2 2
АРуё = % N (ГЛ + гг^г) - электрические потери,
APiáa = (ka®s + ká®2)
У m
у mN
магнитные потери,
kPaíá = kaíá js - добавочные потери.
Механические потери были исключены из рассмотрения, поскольку при данной постановке задачи система работает практически с неизменной скоростью, что делает эти потери постоянными.
Механическая нагрузка представлена периодическим полигармоническим сигналом mc a¡ sin(ro¿t) + mco Для упрощения представления результатов здесь рассмотрены процессы только при синусоидальном изменении момента нагрузки со смещением mco и периодом 10 с. Назовем данный процесс тестовым.
В качестве алгоритма оптимизации может быть рассмотрено несколько вариантов в зависимости от сложности математического представления оптимизируемой зависимости потокосцепления. Так. при сплайновом представлении кривой с большим количеством параметров хорошо зарекомендовал себя метод генетической оптимизации [4]. Однако в данном случае количество параметров невелико, что позволяет воспользоваться более простыми методами, например симплексной оптимизации. При наличии возможности корректного измерения параметров двигателя следует минимизировать непосредственно вычисленные потери энергии за цикл. Однако, если это нежелательно (например, при существенных изменениях параметров), целесообразно минимизировать значение интеграла квадрата тока статора на цикле нагрузки. Ухудшение энергоэффективности в данном случае незначительно [3].
Процессы в системе электропривода с циклической нагрузкой
Амплитуда, фаза и начальная точка синусоиды момента нагрузки подбирались так, чтобы потери в системе были близки к потерям при работе с постоянной нагрузке в номинальном режиме. Полученное при данных параметрах синусоиды значение потерь энергии AWN принято за базовое значение.
Для оценки алгоритма оптимизации в сравнении рассмотрены три варианта управления потокосцеплением ротора при заданном тестовом
графике нагрузки:
*
1. у r = у rN, графики потерь энергии для данного случая приведены на рис.2.;
2. = f (sin(at)). Графики потерь энергии, переходных процессов по и is для данного случая приведены на рис.3 и рис.4 соответственно;
3. х¥г = - оптимальное управление АД по минимуму тока
статора [4]. Графики потерь энергии, переходных процессов по И ¿я для данного случая приведены на рис.5 и рис.6 соответственно.
*
Рис. 2. Потери энергии ÁW при = WrN:
1 -; 2 - ÁW#; 3 -ÁWm ; 4 -AWüiá
aw/awn t
01234 5 6 7 8 9 Lo
Рис. 3. Потери энергии ÁW при = f (sin(at)): 1 -awe ; 2 - AW#; 3 -ÁWm ; 4 -AWm
Как следует из представленных зависимостей, поисковая оптимизация дает вполне удовлетворительные результаты по снижению потерь энергии. Для данного тестового цикла выигрыш по потерям составил порядка 12 %. Более того, начиная с определенных частот, результат становится несколько лучше, чем в традиционной оптимальной системе, что
объясняется конечной динамикой традиционного регулятора потокосцеп-ления.
Рис. 4. Переходные процессы по и is при = f (sin(at))
aw/awn' 0,8 0,6 0,4 0,2
......——j
1 \ —
-— 2 \
■—1
3 4 \
: i \ — ; \ г -4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 /.с
Рис. 5. Потери энергии А Ж при = :
1 - а ; 2 - ; 3 - АЖШ ; 4 - АЖт
ОХ -
1,4 1*2 1,0 0,8
L
О
4
0,38 0,32
026
9
Л с
01234 5 6789 Рис. 6. Переходные процессы по и is при = x¥rfj
t,с
Число итераций в данном тесте составило около 100 циклов. В пересчете на время это составляет примерно 18 мин. Впрочем, для более сложного графика нагрузки время оптимизации безусловно увеличится. Тем не менее, при продолжительной работе механизма с незначительно меняющейся нагрузкой это вполне допустимо. При этом важно отметить, что процесс оптимизации не нарушает технологического процесса.
При работе на реальном объекте данная система должна непрерывно отслеживать изменения нагрузки, контролируя степень неоптимальности процесса, и вносить необходимые коррекции.
В перспективе для систем подобного класса следует рассмотреть алгоритмы оптимизации для циклических нагрузок любого характера.
Список литературы
1. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учеб. пособие для вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 256 с.
2. Шрейнер Р. Т. Электромеханические и тепловые режимы асинхронных двигателей в системах частотного управления: учеб. пособие; под ред. проф. д-ра техн. наук Р.Т. Шрейнера. Екатеринбург: Рос. гос. проф.-пед. ун-т. 2008. 361 с.
3. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами: учеб. пособие. Кишинёв: Штинница, 1982. 224 с.
4. Braslavsky I. Ya., Kostylev A.V., Stepanyuk D.P. Optimization of Starting Process of the Frequency Controlled Induction Motor // Abstracts of
13th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2008, Poznan. Poland, 2008. P. 41-42.
I. Braslavskij, A. Kosty'lyov, D. Cibanov
Optimization of power consumption of frequency controlled electrical drives with periodic load
The opportunity to optimize the losses in frequency controlled electrical drives with periodic load are considered in this paper. The optimization system algorithm is described. The comparison of energy losses in proposed system with optimal control system for minimizing the stator current in static mode had been performed.
Keywords: frequency controlled electrical drive, optimization of power consumption, optimization system algorithm, comparison of energy losses.
Получено 06.07.10
УДК 620.9:502.14:62.83
В.И. Афонин, канд. техн. наук, ведущий науч. сотр., (4922) 33-13-37, rodionovrv@mail.ru (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), О.В. Кругликов, исп. директор, (4922) 33-13-37, rodionovrv@mail.ru (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), Р.В. Родионов, канд. техн. наук, науч. сотр., (4922) 33-13-37, rodionovrv@mail.ru (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), Ю.В. Чернышев, зам. гл. технолога, (4922) 33-13-37, rodionovrv@mail.ru (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»)
БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ЛИФТОВЫЙ ПРИВОД - ИННОВАЦИОННОЕ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Приводятся основные этапы разработки и внедрения безредукторной лебедки. Рассматриваются некоторые аспекты испытаний безредукторных лифтовых приводов.
Ключевые слова: безредукторный привод, кабина лифта, двигатель, лебедка.
Основной особенностью развития лифтостроения конца ХХ и начала XXI столетия является постоянное совершенствование приводов лифтов. С середины прошлого века на смену традиционным редукторным приводам пришли безредукторные переменного тока. Асинхронные односкоростные двигатели с короткозамкнутым ротором специально спроектированы для таких приводов. Это тихоходные двигатели (60...200 мин-1) с большим вращающим моментом (от 200 Нм). Система частотного регулирования с обратной связью по скорости и положению, а также контроль нагрузки в кабине обеспечивают необходимую плавность хода и точность остановки. В приводах современных лифтов для упрощения механической части и повышения комфортности передачу движения от дви-
