CC BY
40
УДК 621.3.004.18
Анализ энергоэффективности асинхронного электропривода с корректором коэффициента мощности
А.С. Ушков, А.Р. Колганов ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,
г. Иваново, Российская Федерация E-mail: taugrin@gmail.com, klgn@drive.ispu.ru
Авторское резюме
Состояние вопроса: Обеспечение энергоэффективной работы технологического оборудования достигается путем использования энергосберегающих систем автоматизированного электропривода. Одним из малоизученных способов построения таких систем является асинхронный электропривод с корректором коэффициента мощности, исследование которого, несомненно, является актуальной задачей.
Материалы и методы: Для решения поставленной задачи использованы методы математического моделирования с применением многоуровневых структурных моделей элементов электропривода и постановкой вычислительных экспериментов в среде Simulink/MatLab.
Результаты: Рассматривается система управления корректором коэффициента мощности на основе boost-преобразователя. Предложены формулы и рекомендации по настройке регуляторов системы управления. Представлены модели частотно-регулируемого асинхронного электропривода с корректором коэффициента мощности.
Выводы: Вычислительные эксперименты с разработанными моделями показали, что использование корректора коэффициента мощности позволяет значительно повысить коэффициент мощности (до 0,95), улучшить гармонический состав и уменьшить более чем на 10 % потребление тока из сети. Включение в состав асинхронного электропривода корректора коэффициента мощности способствует повышению энергоэффектиности технологического оборудования.
Ключевые слова: асинхронный электропривод, корректор коэффициента мощности, энергоэффективность.
Energy efficiency analysis of induction motors with a power factor corrector
A.S. Ushkov, A.R.Kolganov Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russian Federation E-mail: taugrin@gmail.com, klgn@drive.ispu.ru
Abstract
Background: The energy efficiency of process equipment is achieved by using automatic electric drive energy conservation systems. One of the little-known ways to build such systems is induction motor electric drive with power factor correction (PFC), therefore, it is currently very important to study such drives.
Materials and methods: To solve this problem we used mathematical modeling techniques employing multi-level structural models of the electric drive components and conducted numerical experiments in the Simulink/MatLab environment. Results: The paper discusses a power factor corrector convertor-based control system. It also suggests formulas and recommendations for adjusting control system regulators. The paper represents models of variable-frequency induction motor drives with a power factor corrector.
Conclusions: The conducted computational experiments with the developed models have shown that the use of a power factor corrector can significantly increase the power factor (up to 0.95), improve the harmonic content and reduce the current consumption in the network by over 10%. Introduction of a power factor corrector into the induction motor electric drive increases the energy efficiency of process equipment.
Key words: induction motor electric drive, power factor correction, energy efficiency.
В качестве приводного двигателя наибольшее распространение в промышленности находит трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Повсеместное его применение обусловлено высокой надежностью, а также сравнительно низкой стоимостью.
Современный асинхронный электропривод реализуется на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Подавляющее большинство современных асинхронных электроприводов реализованы на базе двухзвенных преобразователей частоты (ПЧ), которые, как правило,
выполнены по схеме «неуправляемый выпрямитель - емкостный фильтр - транзисторный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения» (рис. 1).
Наличие неуправляемого выпрямителя сильно искажает форму потребляемого тока, что приводит к отрицательному влиянию преобразователей на сеть и на окружающую среду.
На данный момент существует ряд международных и государственных стандартов,
нормирующих гармонический состав токов , потребляемых нелинейными потребителями. Одним из наиболее простых и дешевых способов улучшения гармонического состава потребляемого из сети тока, а также повышения энергосбережения является применение корректоров коэффициента мощности (ККМ).
Неуправляемый выпрямитель
Инвертор
ТгГТгГТ!
Рис. 1. Типовая схема двухзвенного ПЧ
Существует большое количество вариантов схемного исполнения ККМ, однако наиболее простым и экономичным является вариант реализации ККМ на базе повышающего преобразователя напряжения (Ьооэ1-преобразова-теля). Структура асинхронного электропривода с таким ККМ представлена на рис. 2 [1].
Корректор
Неуправляемый коэффициента Инвертор
выпрямитель мощности
Рис. 2. Силовая схема асинхронного электропривода с корректором коэффициента мощности
Сам ККМ в данном случае располагается между неуправляемым выпрямителем и инвертором напряжения и состоит из индуктивности, транзистора, блокирующего диода, конденсатора и системы управления.
Структура системы управления корректором коэффициента мощности на основе Ьооэ1-преобразователя представлена на рис. 32 [4, 5].
Система управления состоит из двух контуров: внутреннего контура тока и внешнего
1 ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Стандартинформ, 2006; ГОСТ Р 51317.3.2-2006 (МЭК 61000-3-2:2005). Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2007.
2 High Voltage Motor Control and PFC Kit Hardware Reference Guide (SPRUGU7). - Dallas: Texas Instruments, March 2010.
контура напряжения. Система оперирует с относительными единицами, поэтому все входные параметры, такие как входное напряжение, ток дросселя и выходное напряжение, переведены в относительные единицы с помощью коэффициентов К, К8 и К/.
На вход системы управления поступает задание напряжения которое сравнивается с напряжением нагрузки, и их разница поступает на вход регулятора напряжения Оуеа. Значение с выхода этого регулятора перемножается со значением выпрямленного напряжения сети, с обратным значением квадрата среднего значения напряжения сети (К^, а также с коэффициентом Кт. Результирующее значение является заданием для контура тока, оно сравнивается со значением тока дросселя, а разница поступает на вход регулятора тока. Значение с выхода регулятора тока ограничено в пределах от 0 до 1 и подается на вход ШИМ-модулятора (PWM_mod). Таким образом, значение с выхода регулятора тока определяет скважность переключения транзистора.
Рис. 3. Структура системы управления ККМ: AC - однофазный источник переменного напряжения; LB - дроссель; CB -электролитический конденсатор
Для исследования актуальности применения ККМ в асинхронном электроприводе в пакете расширения Simulink среды инженерных расчетов Matlab было создано две модели [3].
В первой модели представлен частотно-регулируемый асинхронный электропривод, работающий в скалярном режиме, без ККМ (рис. 4).
Силовая часть модели выполнена с использованием элементов библиотеки Power System, а управляющая часть - с помощью математических функциональных блоков библиотеки Simulink.
3
Average Current Mode Controlled Power Factor Correction Converter using TMS320LF2407A (SPRA902A). - Dallas: Texas Instruments, Jul. 2005.
Рис. 4. Математическая модель асинхронного электропривода без ККМ
Питающая сеть представлена блоком AC Voltage Source (220 В, 50 Гц), неуправляемый выпрямитель - блоком Universal Bridge (однофазный мостовой выпрямитель), конденсатор (2 мФ), транзисторный инвертор - блоком Universal Bridge (трехфазный транзисторный инвертор), асинхронный электродвигатель -блоком Asynchronous Machine.
Мощность двигателя 0,25 кВт. Блок расчета коэффициента мощности вычисляет значение коэффициента мощности в ходе эксперимента, его внутренняя структура представлена на рис. 5.
CQ-
GD-
"•fcï"
Active & Reactive Power
Рис. 6. Переходный процесс по скорости
Рис. 7. Форма потребляемого из сети тока (в статике)
Рис. 5. Блок расчета коэффициента мощности
Асинхронный электропривод работает в скалярном режиме со стандартным законом управления Ulf = const.
Блок расчета коэффициента мощности показал PF = 0,6. Среднее значение потребленного из сети тока составило 3,5 А.
Результаты моделирования представлены на рис. 6 и 7, на рис. 8 показан результат проведенного гармонического анализа потребляемого из сети тока.
Рис. 8. Гармонический анализ потребляемого из сети тока
Во второй модели представлен скалярный асинхронный электропривод с ККМ (рис. 8).
Исходные данные для расчета системы управления следующие: мощность Р = 400 Вт частота переменного тока сети f = 40-65 Гц минимальное входное напряжение Vn_m^n = 100 В максимальное входное напряжение Цп_тзх = 410 В минимальное выходное напряжение Vout_mn = 100 В максимальное выходное напряжение Vout_max = 410 В; напряжение на выходе Vout = 380 В; емкость конденсатора С = 1 мФ; индуктивность дросселя £ = 1,2 мГн; частота работы микропроцессорной системы управления 4 = 80 кГц; частота коммутации дросселя = 80 кГц; частота работы регулятора контура тока = 80 кГц; частота работы регулятора контура напряжения ^ = 200 кГц.
Максимальный ток дросселя рассчитывается по формуле [2]
2Р 2 • 400 _
Vin min
100
= В А.
Коэффициенты Kf, Kd, Kf и Km ваются следующим образом [6]:
Kf =
1
Vn
Kd =-
Vo
out max
1
410
= J_
= 410
= 2,439 • 10
3.
рассчиты-
(2)
= 2,439 • 10
3
(3)
Рис. 9. Математическая модель асинхронного электропривода с ККМ 1 1
Im
(4)
При расчете параметров ПИ-регулятора контура тока примем частоту среза регулятора тока fzeo i = 800 Гц, тогда параметры будут рассчитываться следующим образом:
K = _ =
pi KsVo
svout max
2 • 3,14 • 80 • 103 • 1,2 • 10-
Tr, = -
0,125 • 410 1 1
2%fZ( K ni,
2 • 3,14 • 800
= 11,769; = 1,989 • 10-4;
K" = "7
Ta
11,769/
(5)
(6)
__________(7)
8 80•103 При расчете параметров ПИ-регулятора контура напряжения примем частоту среза регулятора напряжения ^его ^ = 10 Гц, тогда параметры будут рассчитываться следующим образом:
1,989 • 10-
= 0,739.
Kpv =:
_ Vout2 3802
P 400
2KfKs i V vin max
KdKm ч Vin _min
= 361 Ом;
^ Vr
out -load
2 • 2,439 • 10-3 • 0,125 (4i0|2 380 = 1 079;
Tcv
2,439 • 10-3 • 4,1 1 1
^ =^ОР- = ^5г = 361 Ом; (8)
(9) (10)
3 ...... (11)
4 80•103
Блок расчета коэффициента мощности показал PF = 0,95. Среднее значение потребленного из сети тока составило 3,1 А.
2nfz
K
v
2 • 3,14 • 10 1,079
100 J 361 = 0,016;
Kv =
= 0,00085.
Результаты моделирования представлены на рис. 10 и 11, на рис. 12 показан результат проведенного гармонического анализа потребляемого из сети тока.
Рис. 10. Переходный процесс по скорости
Рис. 11. Форма потребляемого из сети тока (в статике)
FvndtoneFYltil ;Ч1Н. -1 1/а L гни- 16.67%
■ Ггтйпк order
Рис. 12. Гармонический анализ потребляемого из сети тока
Заключение
Модель электропривода с ККМ имеет следующие преимущества, по сравнению с моделью без ККМ: более высокий коэффициент мощности (0,95 против 0,6); лучший гармонический состав потребляемого из сети тока (в мо-
s
дели с ККМ форма тока более приближена к синусоиде); более высокая энергоэффективность (модель без ККМ в статике потребляет из сети 3,5 А, а модель с ККМ только 3,1 А).
Таким образом, проведенное математическое моделирование показало целесообразность применения ККМ в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах.
Список литературы
1. Muhammad H. Rashid. Power Electronics Handbook // Academic Press. - 2006. - ISBN 0120884798.
2. Миддлбрук Р.Д. Малосигнальное моделирование ключевых преобразователей мощности с широтно-импульсным регулированием // ТИИЭР. - 1988. - Т. 76, № 4. - С. 46-59.
3. Амелина М.А. Моделирование ИИВЭП (SMPS). Лекции для магистрантов по курcу «Современные методы анализа и моделирования электронных устройств» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://docs.google.com/file/d/0B_zuGjoSJdggMU9jMnBqR0JfTl U/edit, свободный.
4. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирования полупроводниковых систем в Matlab 6.0: учеб. пособие. -СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.
5. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 416 с. (Сер. «Библиотека инженера»)
6. Sun J. New leading/trailing edge modulation strategies for two stage PFC AC/DC adapters to reduce DC -link ca-
pacitor// Dissertation for master of science degree. - Texas A&M University, 2007.
References
1. Muhammad, H. Rashid. Power Electronics Handbook. Academic Press, 2006, ISBN: 0120884798.
2. Middlbruk, R.D. Malosignal'noe modelirovanie klyuchevykh preobrazovateley moshchnosti s shirotno-impul'snym regulirovaniem [Small signal modeling of key power converters with PWM regulation]. TIIER, 1988, t. 76, no. 4, рр. 46-59.
3. Amelina, M.A. Lektsii dlya magistrantov po kurcu «Sovremennye metody analiza i modelirovaniya elektronnykh ustroystv» [Modeling IIVEP (SMPS). Lectures to undergraduates kurcu «Modern methods of analysis and modeling of electronic devices»]. Available at: https://docs.google.com/file/d/0B_zuGjoSJdggMU9jMnBqR0JfTl U/edit
4. German-Galkin, S.G. Komp'yuternoe modelirovaniya poluprovodnikovykh sistem v Matlab 6.0 [Computer modeling of semiconductor systems in Matlab 6.0]. Saint-Petersburg, KORONA print, 2001. 320 p.
5. Semenov, B.Yu. Silovaya elektronika: ot prostogo k slozhnomu [Power electronics: from simple to complex]. Moscow, SOLON-Press, 2005. 416 p.
6. Sun, J. New leading/trailing edge modulation strategies for two stage PFC AC/DC adapters to reduce DC-link capacitor. Dissertation for master of science degree. Texas A&M University, 2007.
Ушков Александр Сергеевич,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», аспирант кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок, телефон (4932) 26-97-16, e-mail: taugrin@gmail.com
Колганов Алексей Руфимович,
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок, телефон (4932) 26-97-09, e-mail: klgn@drive.ispu.ru
