АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛИФТА С МИНИМИЗАЦИЕЙ ПОТЕРЬ В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ РАБОТЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

.................................. н.

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

DOI: 10.53078/20778481_2021_3_117 УДК 62-83:621 А. С. Коваль

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛИФТА С МИНИМИЗАЦИЕЙ ПОТЕРЬ В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

A. S. Koval

ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE FOR ELEVATORS WITH MINIMIZATION OF STEADY- STATE LOSSES

Аннотация

На основе модели мощности переменных потерь и использования выражения оптимального тока намагничивания как функции от параметров двигателя предложен алгоритм и система автоматического регулирования (САУ) асинхронным электроприводом лифта, позволяющая оптимизировать потери в двигателе в установившихся двигательных режимах работы двигателя при нагрузках, отличающихся от номинальной. Представлены результаты моделирования работы электропривода по разработанной модели.

Ключевые слова:

асинхронный двигатель с короткозамкнутым (к. з.) ротором, электропривод лифта, регулирование потока, переменные потери, оптимальный ток намагничивания, графики изменения момента, скорости, тока и потока.

Для цитирования:

Коваль, А. С. Асинхронный электропривод лифта с минимизацией потерь в установившихся режимах работы / А. С. Коваль // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2021. - № 3(72). -С.117-124

Abstract

Based on the variable losses power model and the use of the expression of optimal magnetizing current as a function of the motor parameters, an algorithm and an automatic control system (ACS) for the elevator's asynchronous electric drive are proposed, allowing optimization of the motor losses in steady-state modes of motor operation under loads that differ from the nominal one. The results of simulating electric drive operation according to the model developed are presented.

Keywords:

asynchronous motor with a short-circuited rotor, elevator electric drive, flux control, variable losses, optimal magnetizing current, graphs of torque, speed, current and flux change.

For citation:

Koval, А. S. Asynchronous electric drive for elevators with minimization of steady-state losses / А. S. Koval // The Belarusian-Russian university herald. - 2021. - № 3(72). - P. 117-124.

Оптимальное энергосберегающее зано с регулированием потока двигате-

управление в системах асинхронного лей. Тематика энергоэффективного

электропривода переменного тока свя- управления асинхронными электродви-

© Коваль А.С., 2021

гателями достаточно широка и определяется применением асинхронного электропривода в различных сферах деятельности [1, 2]. В частотно-регулируемом электроприводе переменного тока энергоэффективность связана с потерями и в двигателе, и в частотном преобразователе. Оптимумы минимизации мощности потерь в двигателе и минимизации мощности потерь во всей системе привода практически равнозначны с энергетической точки зрения [1, 2]. Соответственно, учет потерь в преобразователе не дает существенно лучшего результата минимизации энергопотребления в электроприводе по сравнению с учетом только мощности потерь в двигателе для асинхронных двигателей малого и среднего диапазона номинальных мощностей [1, 2]. Сама же формулировка задачи оптимизации энергоэффективности асинхронного электродвигателя зависит как от режимов работы (установившиеся, динамические), так и от характера изменения нагрузки на валу двигателя.

Оптимизация энергопотребления в динамических режимах - задача нетривиальная, но в настоящее время с учетом вычислительных возможностей управляющих контроллеров возможно её решение и в реальном времени.

Для установившихся режимов с постоянной, но отличающейся от номинальной нагрузкой на валу двигателя минимизация тока статора асинхронного двигателя приводит к минимизации потерь, т. к. потери в двигателе складываются из разных составляющих, но в первую очередь - это переменные потери в обмотках статора и ротора, определяемые током двигателя. Основные методы, минимизирующие ток статора в установившихся режимах [3], - это:

- методы управления, делающие максимальным отношение момент - ток (maximum torque per ampere) двигателя;

- методы на основе модели мощности потерь, использующие выражение оптимального тока намагничивания как

функцию от параметров и состояния двигателя;

- методы, базирующиеся на подходе к минимизации потребляемой мощности как к задаче численной оптимизации, где целевой функцией выступает измеряемое значение потребляемой мощности, минимум которой ищется в реальном времени над объектом управления без использования его модели (безмодельное экстремальное регулирование).

Для регулируемого электропривода лифта кабина лифта представляет собой объект управления с фиксированной нагрузкой в установившихся режимах. Нагрузка и режим работы электропривода (двигательный, генераторный) определяются загрузкой кабины и направлением её движения. Эти условия для электропривода сохраняются в течение всей поездки и могут быть определены до начала движения. Наиболее простая задача оптимизации энергопотребления регулируемым асинхронным электроприводом лифта - это минимизация потребляемого тока электродвигателем привода лифта в двигательном установившемся режиме работы за счет поддержания оптимального тока намагничивания в зависимости от заранее известной загрузки кабины лифта. Для этой цели используется модель мощности потерь, использующая выражение оптимального тока намагничивания как функцию от параметров и состояния двигателя. Практическое решение задачи оптимизации энергопотребления приводом лифта в этом случае заключается в переключении в алгоритме работы системы автоматического управления электроприводом от стандартного режима движения кабины лифта с формированием управляемого пуска и торможения к режиму, в котором при движении кабины лифта с постоянной скоростью обеспечивается, в зависимости от загрузки кабины, минимизация мощности потерь в двигателе.

Уравнения асинхронного двигате-

ля в осях х—у, ориентированных по по-токосцеплению ротора, имеют вид [4]:

их = Я • + -^ • А • Ку;

и у = Я1 • • у + А • о +•(Ах • ъ + х);

М = 2 • '[ 112 • К1х ' К1у ' ^ ] ,

где ¿1х, ¿1, ¿12 - индуктивность рассеяния, индуктивность фазы статора, взаимная индуктивность соответственно; Ю1 - электрическая частота вращения; рп - число пар полюсов; у2х - потоко-

сцепление ротора; Я1 - сопротивление статора; о - коэффициент рассеяния; кг - коэффициент магнитной связи рок = Ь12 тора, кг = — .

¿2

Мощность переменных потерь, определяемая составляющими тока статора /1х, Пу двигателя в установившемся режиме работы [5]:

Р = + £ (Я + Я,).

С учетом того, что в установившемся режиме работы двигатель создает момент, равный моменту нагрузки М = Мп, установившееся значение составляющей тока статора % можно записать, как

Мп

V =

3/2РпЬ12К1х

Соответственно, мощность переменных потерь асинхронного двигателя в установившемся режиме может быть

выражена, как

Р = № 1 +

А У

Мп

3 Ь •

— р Ь,2г,

2лт п 12 1х

у

(Я + Я*)-

Так как мощность потерь определяется составляющей тока •1х, формирующей поток двигателя, то значение этого тока, при котором производная от

дР

мощности потерь - равна 0, будет

дК1х

являться минимальным значением, определяющим минимум потерь. Это оптимальное значение тока ¡1хюпт при постоянном значении Ьп имеет вид [3]:

М п 1Л 2+Я

1хопт

¿12 Рп

Я

^опт^т (1)

где к =

^^ опт

1

Я + Я:

•\/А2

12Рп V

Оптимальное значение составляющей тока Пхопт определяет и соответствующее оптимальное значение составляющей тока Пуопт [3]:

уопт К1хопт <

Я

Я2 + Я,

Для используемого при моделировании двигателя (табл. 1) это соотношение

1 уопт

2,47

Ьхопт \ 2,47 +1,87

= 0,75.

Табл. 1. Параметры двигателя для моделирования

./, кг-м Я1, Ом Мном, Н^м ^ном? А Рном:> Вт ¿12, Гн ¿1, Гн Я 2, Ом УHOM, Вб а с4 ном иф , В

4,5 2,47 336 11,87 4071 0,639 0,694 1,87 9,02 12,1 208

В рассматриваемой методике расчета оптимального значения составляющей тока Пхопт, как и в других подобных расчетах [3], индуктивность намагничивания принимается постоянной величиной, хотя она определяется нелинейной кривой намагничивания и при изменении тока намагничивания отличается от значения, соответствующего номинальному режиму работы. Для учета изменения индуктивности намагничивания при уточненной оценке мощности потерь в электроприводе может быть использована, например, линейная зависимость насыщения индуктивности от тока намагничивания [3].

Таким образом, алгоритм оптимального управления, минимизирующего потери в двигателе привода лифта в установившемся режиме при загрузке кабины, отличающейся от номинальной, может быть описан следующим образом. До начала движения кабины определяется загрузка кабины и в зависимости от выбранного направления движения кабины вверх или вниз - режим работы двигателя: двигательный или генераторный. При определении режима работы привода лифта как двигательного:

- по загрузке кабины вычисляется величина нагрузочного момента двигателя;

- вычисляется значение составляющей тока статора Пхопт, определяющее минимальное потокосцепление двигателя и минимизирущее переменные потери в двигателе;

- по завершении разгона кабины лифта (определяется по заранее заданному и достигаемому значению скорости кабины при завершении пуска) в структуре системы автоматического управления электроприводом происходит переключение от стандартного режима работы к оптимальному с минимизацией переменных потерь;

- при достижении кабиной лифта этажа назначения по команде датчика начала торможения (ДТ) происходит возврат к структуре системы автоматического управления, обеспечивающей стандартный режим работы привода лифта при торможении.

Блок-схема векторной системы автоматического управления (САУ) асинхронным двигателем в осях у—х, ориентированных по потокосцеплению ротора, работающей в соответствии с этим алгоритмом, показана на рис. 1.

^2хном ;

Контур регулирования /Зх

1/Т5+1

Юзад ,

Контур регулирования ¡1у

^2х

$ Кь

^2хтт

О - V

->Хп * —>1

мг

Ю

Рис. 1. Блок-схема оптимального электропривода

Модель САУ электроприводом лифта в осях y-x в среде MATLAB, соответствующая блок-схеме (см. рис. 1), представлена на рис. 2. Параметры двигателя и механической подсистемы регулируемого асинхронного электропривода лифта, соответствующие безредук-торному приводу пассажирского лифта грузоподъемностью (г/п) 630 кг и скоростью движения 1 м/с и используемые при моделировании, приведены в табл. 1.

В модели САУ электроприводом лифта блок задания скорости Signal Bilderl формирует требуемую тахо-грамму движения привода. Время работы привода в установившемся режиме, в течение которого осуществляется оптимизация потерь, определяется блоками Stepl, Step2 и логическими операторами Logica operator. На всех графиках (рис. 3-7) это промежуток времени с 3 до 6 с. В модели применены ПИ-регуляторы тока и скорости с передаточными функциями, указанными на рис. 2. Нагрузка формируется соответствующими блоками (выход блоков Мс) [6]. Два одинаковых блока формирования момента нагрузки позволяют отдельно задавать нагрузку в режиме работы привода без оптимизации переменных потерь и в режиме работы с оптимизацией (момент нагрузки 200 Н-м для случая работы привода в режиме оптимизации потерь). Цепь формирования сигнала задания потокосцепления

двигателя (у2xmin = Vlx ) в режиме минимизации составляющей тока iix образована блоками Sqr и Gain3 в соответствии с выражением (1). Остальные элементы модели обеспечивают функционирование привода в соответствии со схемой на рис. 2. Результаты моделирования работы электропривода показаны на рис. 3-7.

Осциллограммы изменения регулируемых параметров моделируемого электропривода показывают работоспособность электропривода с оптимизацией мощности переменных потерь в

установившемся режиме работы лифта при использовании предлагаемого алгоритма работы САУ с определением оптимальной составляющей /ъс в режимах работы двигателя при нагрузках, отличающихся от номинальной. Смоделирован установившийся режим работы при уменьшении нагрузки от номинальной до 200 Н-м. При этом потребляемый двигателем ток уменьшается с 15,4 до 10,8 А, или на 30 %. Соответственно, мощность переменных потерь в двигателе уменьшается с 560 до 350 Вт, или на 37,5 %, а отношение г 6 7

1 уопт = 0,79 при расчетном значе-

г 8 4

1 хопт

нии 0,75. Таким образом, разработана САУ регулируемым асинхронным электроприводом переменного тока лифта, оптимизирующая переменные потери в двигателе в установившемся двигательном режиме работы при загрузке кабины, отличающейся от номинальной.

Выводы

Предложен алгоритм работы и разработана САУ в регулируемом асинхронном электроприводе лифта с определением оптимальной составляющей тока статора /1х в установившихся двигательных режимах работы двигателя при нагрузках, отличающихся от номинальной. Эта составляющая тока формирует потокосцепление двигателя, при котором переменные потери в двигателе минимальны. Смоделирован установившийся двигательный режим работы разработанного электропривода при уменьшении нагрузки от номинальной до 200 Н-м. При этом потребляемый двигателем ток уменьшается на 30 %, а мощность переменных потерь в двигателе - на 37,5 %. Реализация предложенного алгоритма работы в регулируемом асинхронном электроприводе лифта увеличивает энергоэффективность лифта в целом.

1

о

2

я

г: §

Здта Вийа^

1

0^-31 О.СЙ2=И О.ЩОзИ

ТчгеЛТ Гай Тгл^аГа112

0.21:

Ьэ

О

3 к

г «

I

о

о «

о

^а о о о а а-

о «

о Ч; а а

Ой

^з о а

Рис. 2. Имитационная модель электропривода с минимизацией переменных потерь

Ьо О Ьо

Оо

а)

б)

Вб

¥

г 4

г —

Б

О

г

в

Рис. 3. Номинальное потокосцепление и потокосцепление в оптимальном режиме работы (а) и тахограмма задания скорости привода (б)

с

с

с

а)

б)

А

8 10 с

г

А

I

г

Рис. 4. Составляющая тока статора г1х (а) и ток статора (б) при работе с номинальным потокосцеплением и в оптимальном режиме работы

а)

ы

б)

М

400

Н-м

200 1 50 1 00

Рис. 5. Составляющая тока статора г1у (а) и момент двигателя при работе с номинальным потокосцеплением (Мст = 300 Н-м) и в оптимальном режиме работы (Мст = 200 Н-м) (б)

с

с

с

г

г

а)

Вестник Белорусско-Российского университета. 2021. № 3(72) б)

P

1 ООО

Вт

700 600 500 40G 300 200 100

t

3 1 О

c

Вт

Р

7G0 600 500 4G0 300 200 100

8 10 c

t

Рис. 6. Потери мощности при работе с режимом оптимизации (а) и с номинальным потокосцеплением (б)

а)

Вт

Р

t

б)

Вт

Р

t

в)

Вт

Р

t

Рис. 7. Мощность потерь при работе в режиме минимизации тока: а - потокосцепление меньше оптимального (5 Вб); б - потокосцепление оптимальное (5,38 Вб); в - потокосцепление больше оптимального (6 Вб)

с

c

c

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Браславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков. - Москва: АКАДЕМИЯ, 2004. - 248 с.

2. Коваль, А. С. К вопросу энергосбережения в электроприводе пассажирских лифтов с регулируемой номинальной скоростью движения кабины лифта / А. С. Коваль, А. И. Артеменко // Вестн. Бело-рус.-Рос. ун-та. - 2018. - № 4. - С. 49-55.

3. Борисевич, А. В. Энергосберегающее векторное управление асинхронными электродвигателями / А. В. Борисевич. - Москва: ИНФРА-М, 2017. - 102 с.

4. Фираго, Б. И. Векторные системы управления электроприводами / Б. И. Фираго, Д. С. Васильев. - Минск: Вышэйшая школа, 2016. - 159 с.

5. Синергетические методы управления сложными системами. Механические и электромеханические системы / А. А. Колесников [и др.]. - Москва: ЛИБРОКОМ, 2013. - 304 с.

6. Моделирование моментов нагрузки электродвигателей в МА^АВ / Р. Т. Шрейнер [и др.] // Молодой ученый. - 2010. - Т. 1, № 8 (19). - С. 27-33.

Статья сдана в редакцию 17 мая 2021 года Александр Сергеевич Коваль, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет.

Aleksandr Sergeyevich Koval, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University.