CC BY
179
УДК 62-83:005.22
И.Ю. Семыкина, В.М. Завьялов, С.Г. Нехлебова
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Введение
В настоящее время на рынке преобразватель-ной техники для управления асинхронным электроприводом существует достаточно большое количество устройств, которые позиционируются как средства, позволяющие обеспечить энергосбережение при функционировании технологических установок. Однако, как отмечалось еще в [1], данный результат зачастую является следствием рациональной организации работы электропривода в конкретных технологических условиях. Тем не менее, даже для электроприводов общепромышленного назначения в зависимости от подхода, используемого в его системе управления, энергопотребление может существенно изменяться .
Энергетические характеристики асинхронного электропривода определяются уровнем его потерь при электромеханическом преобразовании энергии, а также потерь в полупроводниковом управляющем устройстве, каждый из которых зависит от режима его работы [2]. При этом на энергопотребление оказывает влияние не только величина преодолеваемой нагрузки и необходимость разгонов и торможений, но и текущее состояние, как двигателя, так и преобразователя. В частности, нелинейный характер напряжения, питающего двигатель, а также ограничения, накладываемые электрической сетью на его величину, увеличивает как электрические, так и магнитные потери, вследствие чего растет потребляемый ток двигателя и снижается его КПД. К общим потерям электропривода добавляются также потери в электрическом преобразователе, сетевых фильтрах и питающих двигатель кабелях, зависящих и от требуемой угловой скорости. Исходя из этого, всестороннюю оценку энергетических характеристик конкретного электропривода можно поучить только в ходе серии физических экспериментов.
К сожалению, при постановке задачи сравнения с точки зрения энергопотребления различных преобразовательных устройств и систем управления асинхронным электроприводом физический эксперимент поставить затруднительно, особенно
* Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Проект «Разработка энергоэффективных средств управления электроприводами горных машин с учетом особенностей динамических режимов их работы в рамках создания энергосберегающих систем распределения и потребления электроэнергии» (шифр 2011-1.2.2-226-011).
если речь идет об оценке пилотных разработок, для которых не создана широкая линейка мощностей. Вычислительный эксперимент позволит произвести такую оценку, но для его проведения необходимо использовать компьютерную модель, позволяющую учитывать основные факторы, влияющие на энергетические характеристики регулируемого асинхронного электропривода.
Помимо сравнения энергетических характеристик, для электроприводов важно оценить позволяет ли система управления, обеспечивающая минимальное энергопотребление, добиться высоких динамических показателей работы, поскольку меры повышения энергоэффективности могут привести к их снижению.
Ниже представлен результат сравнительного анализа как энергетических, так и динамических характеристик различных способов управления асинхронным электроприводом. При анализе использовалась компьютерная модель, в которой приняты общеизвестные допущения для моделирования асинхронных двигателей [3], однако учитывается кривая намагничивания, эффект вытеснения токов для нерегулируемого электропривода. Для регулируемого электропривода также учитывался нелинейный характер питающего напряжения, а также ограничения на величину напряжения, накладываемые питающей сетью. Моделирование производилось для двигателей малой средней и высокой мощности марок 4А80А4У3, 4А28084У3 и 4А315М4У3 соответственно, но для удобства интерпретации таблицы и графики приведены только для двигателя марки 4А80А4У3, мощность которого составляет 1,1 кВт.
Анализ энергетических характеристик
Сравнение энергетических характеристик различных систем электропривода проводилось по результатам пуска электродвигателя из состояния покоя в рабочую точку с номинальной угловой скоростью и нагрузкой, при этом характер нагрузки был выбран типа «идеальное сухое трение». В качестве эталонной меры использовались результаты прямого пуска электродвигателя (ПП), а для оценки выбраны следующие системы.
1. Асинхронный электродвигатель с тиристорным регулятором напряжения (ТРН). В данной системе в зависимости от требуемой интенсивности разгона изменялась временная диаграмма угла отпирания тиристоров в статорной цепи двигателя.
2. Разомкнутое скалярное управление (РСУ) асинхронным электродвигателем. В качестве закона частотного регулирования применен наибо-
лее простой вариант и//=сот( с линейной характеристикой и отсутствием компенсации падения напряжения на активных сопротивлениях цепи статора.
3. Прямое управление моментом (ПУМ). Для управления ключами автономного инвертора напряжения применяется система управления, описанная в [4].
4. Векторное управление (ВУ) асинхронным
электродвигателем при питании от регулируемого источника тока [5]. Учитывая, что допущения об идеальности источника тока могут негативно отразиться на показателях регулирования электропривода в целом, в качестве источника тока выбран автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией, охваченный обратными связями по току, с включением в контур регулирования пропорционально-интегральных
регуляторов, настроенных на обеспечение полосы пропускания разомкнутого контура равной 50 Гц.
5. Упрощенное градиентное управление (УГУ) асинхронным двигателем по [6], где для настройки весовых коэффициентов применен подход нормирования относительно номинальных значений, а для реализации заданного направления вектора подводимого к двигателю напряжения использована комбинация пропорционального и интегрального закон регулирования, предложенная в [7]. Таким образом, управление асинхронным двигателем осуществляется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией по закону:
и — —gг-у\г ,
т
где и=[мш, Ы3р] - вектор подводимого к статору двигателя напряжения в неподвижной системе координат а-в; g, У - коэффициенты усиления пропорциональной и интегральной составляющих закона управления; г - вектор-функция управления:
2
Г =
М
Мп М - М Мп
М и78
—
2
7т 2 *2
7а + 2 78в
7,8П
М, Мп, М - текущий, номинальный и заданный электромагнитный момент двигателя соот-
*
ветственно; Щ8, ^¡п, - текущая, номинальная
и заданная амплитуда вектора потокосцепления статора; Щш, - составляющие вектора пото-
косцепления статора в системе координат а-@. Значения коэффициентов усиления выбирались из условия, чтобы подводимое к статору двигателя напряжение при максимальном рассогласовании не превышало допустимого значения.
Следует отметить, что прямое управление моментом, векторное управление и градиентное управление относятся к тому классу систем, кото-
рые обеспечивают поддержание на заданном уровне электромагнитного момента асинхронного двигателя, а для управления угловой скоростью в них применяются регуляторы скорости, зачастую пропорционально-интегрального типа. При этом, как отмечается в [8], от выбранных настроек этих регуляторов существенно зависит энергопотребление электропривода, так количество потребляемой энергии практически прямо пропорционально коэффициенту передачи. Таким образом, задача настройки регулятора скорости для этих систем электропривода является достаточно важной для проведения сравнительного анализа. Например, снижение коэффициента передачи увеличит ошибку регулирования, и, как следствие, приведет к снижению угловой скорости вала двигателя при той же нагрузке. Значит, наблюдаемое уменьшение потерь при работе электропривода может объясняться не энергоэффективностью самой системы управления, а неверной, по сути, настройкой регулятора скорости, спровоцировавшей снижение полезной мощности на валу.
Исходя из этого, при компьютерном моделировании во всех перечисленных системах электропривода, во-первых, были использованы пропорциональные регуляторы скорости с идентичной настройкой, а во-вторых, сама настройка производилась из расчета, что скольжение двигателя по окончании пуска должно соответствовать номинальному значению sn. Чтобы это обеспечить, использовалась классическая методика линейной теории автоматического управления, основанная на принципе последовательной коррекции и обеспечивающая замкнутому контуру свойства одноемкостного звена с заданной инерционностью. Для ее применения были приняты допущения, что механическая часть электропривода с достаточно точно описывается одномассовой системой, а инерционность системы управления электромагнитным моментом пренебрежимо меньше инерционности контура регулирования угловой скорости Т.
Структурная схема контура, соответствующая перечисленным условиям, приведена на рис. 1, где
*
тп, т - заданная и номинальная угловая скорость двигателя соответственно; J - момент инерции механической части электропривода. Согласно этой схеме, уравнение статического равновесия электропривода выражается зависимостью:
* Т
бп —б) — JMn,
Регулятор
скорости
* J * м
т Т ►
&
со„
Рис. 1. Структурная схема контура регулирования угловой скорости
*
откуда, приняв в качестве ш угловую скорость идеального холостого хода ш0, определим
T = Jan-Sn-
0мn
Полученная инерционность контура регулирования угловой скорости, согласно проведенным расчетам, выше электромагнитной постоянной времени, что свидетельствует о допустимой интенсивности протекания переходных процессов по сравнению с неуправляемым пуском двигателя и, как следствие, о правомерности сравнения всех перечисленных выше систем электропривода.
Непосредственное сопоставление энергетических характеристик проводилось путем сравнения полезной энергии на валу двигателя W и энергии электрических потерь ДW в абсолютном выражении и относительно потребляемой двигателем энергии, рассчитанных за фиксированный промежуток времени при различных значениях заданного времени перехода из состояния покоя в номинальную рабочую точку Tr. Количественно полученный результат представлен в табл. 1.. Время расчета энергии 5 с.
Общий характер представленных данных сохраняется и для двигателей средней и высокой мощности, однако, что соответствует принципам проектирования электродвигателей, с ростом мощности величина потерь снижается. Примечательно, что за исключением системы с тиристорным регулятором напряжения, все системы электропривода имеют оптимальное время Гг, соответствующее минимуму потерь энергии, которое, как показали исследования, близко по значению к длительности переходного процесса прямого пуска асинхронного двигателя.
Производя количественное сравнение рассмотренных систем электропривода, во-первых, подтверждается, что частотные способы управления позволяют сократить электрические потери даже на двигателях малой мощности, а при возрастании мощности наблюдается значительное повышение энергоэффективности, во-вторых, применительно к задаче пуска электропривода этого сокращения потерь можно добиться даже с
применением наиболее простого разомкнутого скалярного управления.
Исходя из этого, эффективное применение прямого управления моментом, векторного управления, градиентного управления и других систем аналогичного типа в силу их большей стоимости возможно только когда перед электроприводом стоит задача динамичного регулирования, требующая управления непосредственно электромагнитным моментом двигателя. Таким образом, помимо сравнения энергоэффективности, данные системы оцениваюсь по динамическим показателям качества.
Анализ динамических характеристик
Сравнение динамических характеристик проводилось в нескольких режимах. Первым рассматривался вопрос виляния Тг на динамическую точность регулирования электромагнитного момента в том же режиме, в котором анализировалась энергоэффективность, а также на статическую точность регулирования потокосцепления. Далее оценивалось влияние на показатели регулирования электропривода динамики изменения по-токосцепления.
В силу нелинейного характера питающего напряжения дать четкую количественную оценку ошибкам регулирования можно только с применением фильтрации к полученным результатам моделирования, понимая при этом, что результат будет обладать погрешностью. Анализируя полученные результаты данным образом можно отметить, что во всех рассмотренных системах динамическая ошибка регулирования электромагнитного момента двигателя не зависит от интенсивности переходных процессов по угловой скорости и для прямого управления моментом находится в пределах 20 %, а для векторного управления и градиентного управления - 35%. Статическая ошибка регулирования потокосцепления во всех системах так же практически постоянна и составляет не более 0,5 % для прямого управления моментом, 1,5 % для градиентного управления и 3 % для векторного управления.
Указанные исследования проводились при постоянстве заданного потокосцепления, однако в
Таблица 1. Энергоэффективность систем электропривода
Тг, с W, Вт-с / AW, Вт-с / AW, %
ПП ТРН РСУ ПУМ ВУ УГУ
0,1 5077 / 1986 / 28,1 5001 / 2101 / 29,6 5092 / 1843 / 26,6 5116 / 1850 / 26,5 4399 / 1783 / 28,8 4911 / 1764 / 26,4
0,2 4912 / 2156 / 30,5 5049 / 1732 / 25,5 5062 / 1779 / 26,0 4372 / 1693 / 27,9 4873 / 1657 / 25,4
0,3 4822 / 2209 / 31,4 4997 / 1683 / 25,2 5007 / 1753 / 25,9 4335 / 1645 / 27,5 4824 / 1632 / 25,3
0,4 4733 / 2261 / 32,3 4941 / 1667 / 25,2 4652 / 1740 / 25,9 4759 / 1659 / 25,8 4772 /1619 / 25,3
0,5 4644 / 2312 / 33,2 4882 / 1666 / 25,4 4898 / 1731 / 26,1 4708 / 1665 / 25,9 4719 / 1611 / 25,4
0,8 4380 / 2462 / 35,9 4714 / 1639 / 25,8 4734 / 1714 / 26,5 4549 / 1621 / 26,3 4560 / 1598 / 25,9
1,1 4118 / 2605 / 38,7 4543 / 1637 / 26,5 4570 / 1703 / 27,1 4390 / 1607 / 26,8 4399 / 1589 / 26,5
1,4 3858 / 2743 / 41,5 4376 / 1625 / 27,1 4406 / 1696 / 27,8 4223 / 1598 / 27,4 4240 / 1582 / 27,1
1,7 3599 / 2875 / 44,4 4207 / 1621 / 27,8 4242 / 1690 / 28,5 4070 / 1590 / 28,1 4080 / 1575 / 27,8
2,0 3343 / 3002 / 47,3 4039 / 1614 / 28,5 4079 / 1686 / 29,2 3910 / 1584 / 28,8 3920 / 1569 / 28,6
М, Н м у/, Вб 20
17
14
11
8
5
2
* ♦ ■»•••“ г 4»”
Ш У и-....»......» * ♦ ■»••••“ | » » 4™~
♦ у 4 с с -4
0 0.1 0,2 0,3 0,4 0,5
(,с
М, Н м у/, Вб 20
М, Н м у/, Вб
0 0.1 0.2 0,3 0.4 0.5
К С
а)
О 0.1 0.2 0,3 0.4 0.5
и С
М, Н м I//, Вб
8 7 6 5 4 3 2 1
О
■%
.Ш
м
у
М, Н м у/, Вб
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
/, С /, с
б) в)
Рис. 2. Переходные процессы при линейном изменении потокосцепления: а) векторное управление; б) градиентное управление; в) прямое управление моментом
зависимости от режима работы при переменных нагрузках потокосцепление двигателя целесообразно изменять для обеспечения энергоэффективности работы электропривода. Исходя из этого, был проведен ряд экспериментов, предусматривающих изменение формы заданного потокосцеп-ления. Их суть заключалась в стабилизации электромагнитного момента при условии, что задание потокосцепления изменяется по линейной и синусоидальной зависимости с различной интенсивностью.
Для примера на рис. 2 приведены результаты работы систем электропривода при линейно нарастающем потокосцеплении и задании значения электромагнитного момента на уровне номинала.
Как можно видеть, для векторного управления заниженное потокосцепление, особенно при низких темпах его нарастания, приводит к проявлению нелинейных эффектов, вызывающих резкое повышение электромагнитного момента. Причина наблюдаемых переходных процессов заключается в том, что для достижения электромагнитным моментом заданного уровня источник тока, входящий в состав системы управления, стремиться увеличить активный ток, однако в силу ограничений, накладываемых питающей сетью на подводимое к двигателю напряжение, заданный уровень активного тока не достигается. При этом работа инвертора напряжения в режиме ограничения негативно отражается и на точности поддержания реактивного тока, что вызывает отклонение фор-
мы переходного процесса потокосцепления от заданной. Ошибка регулирования потокосцепле-ния вносит погрешности в канал формирования электромагнитного момента, чем дополнительно провоцирует его отклонение от задания.
В отличие от векторного управления, упрощенное градиентное управление с пропорционально-интегральным законом регулирования при заниженном потокосцеплении не вызывает работу электропривода в режиме ограничения напряжения. Однако в силу особенностей настройки пропорциональной и интегральной частей внутреннего регулятора переходные процессы по потокос-цеплению обладают инерционностью, а при заниженном задании (менее 60 % от ^п) препятствуют развитию электромагнитного момента.
Система электропривода с прямым управлением моментом в соответствии со своим принципом действия не демонстрирует ни нелинейных искажений, вызванных ограничением напряжения, ни проявлений инерционности собственно способа управления двигателем.
Схожие качественно результаты были продемонстрированы при формировании задания пото-косцепления по синусоидальному закону относительно номинального значения. Основными критериями оценки в данных экспериментах выбраны отклонения потокосцепления от заданной траектории по амплитуде и фазе, а также максимальная ошибка регулирования электромагнитного момента, вызванная изменяющимся потокосцеплением.
При работе векторного управления с увеличением амплитуды синусоиды заданного потокосце-пления отклонение по амплитуде существенно увеличивается, а отклонение по фазе, напротив, снижается, что объясняется, как и в предыдущих экспериментах, влиянием ограничений по напряжению. При этом максимальная ошибка регулирования электромагнитного момента в процентном выражении близка к соотношению амплитуды синусоиды заданного потокосцепления к номинальному значению.
Несколько иное влияние на изменяющееся задание потокосцепления наблюдается при работе градиентного управления. При прохождении верхней полуволны синусоиды практически отсутствует как ошибка регулирования потокосцеп-ления, так и влияние на точность регулирования электромагнитного момента. Однако существенным отличием обладает реакция электропривода при работе на нижней полуволне синусоиды. Как и в опыте с линейным нарастанием потокосцепления при заниженном задании наблюдается падение электромагнитного момента, а при значениях менее 60 % от - резкое снижение его значения до нуля с последующим восстановлением на верхней полуволне.
Что характерно, в электроприводе с прямым управлением моментом колебания потокосцепле-ния на точность регулирования электромагнитного момента не влияют. Однако, сказываются ограничения на величину подводимого напряжения, выражающиеся в несоответствии заданной и отрабатываемой траектории потокосцепления.
Прохождение нижней полуволны синусоиды выполняется без искажения, в то время как мак-
симальное потокосцепление при прохождении верхней полуволны синусоиды ограничивается, начиная с амплитуды заданной синусоидальной составляющей, равной 30 % от ^от.
Выводы
Проведенный анализ энергетических и динамических характеристик регулируемого асинхронного электропривода, естественно, не претендует на полноту, поскольку существуют десятки разновидностей систем управления асинхронным двигателем. Тем не менее, он охватывает представителей систем управления различных классов, что позволит в инженерной практике осуществить изначальный выбор типа системы электропривода, подходящего для конкретной задачи.
Так, для решения задач пуска, торможения и реверса с точки зрения энергоэффективности наилучшим выбором будут простейшие системы разомкнутого скалярного управления, а для регулирования угловой скорости в приводах с высокими динамическими требованиями - системы прямого управления моментом, при менее критичных динамических требованиях - системы класса векторного или градиентного управления.
В качестве дополнительного вывода из проведенных исследований можно отметить, что дополнительные электрические потери в двигателе при знаковом управлении электрическим преобразователем, вызванные высокочастотными составляющими токов, не превышают аналогичные потери в электроприводах с использованием широтно-импульсной модуляции, и в то же время способствует существенному повышению динамических показателей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильинский Н. Ф. Энергосбережение в электроприводе /Н. Ф. Ильинский, Ю. В. Рожанковский, А. О. Горнов. - Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: практ. пособие в 5 кн. - Кн. 2. - М.: Высш. шк. 1989. - 127 с.
2. Браславский И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И. Я. Браславский, 3. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков. - М.: Академия, 2004. - 256 с.
3. Ключев, В. И. Теория электропривода: учеб. для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.
4. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учеб. для вузов. -М.: Академия, 2006. - 272 с.
5. Панкратов В. В. Векторное управление асинхронными электроприводами: учеб. пособие. - Новосибирск: НГТУ, 1999. - 66 с.
6. Завьялов В. М. Управление динамическим состоянием асинхронных электроприводов горных машин: дис. ... д-ра техн. наук. - Кемерово, 2009. - 327 с.
7. Семыкина И. Ю. Градиентное управление в решении основных задач электропривода // Вестник Куз-ГТУ. - 2010. - №1 - С. 99-103.
8. Малафеев С. И. Исследование потерь в асинхронном двигателе с частотным регулированием при переходных процессах / С. И. Малафеев, А. В. Захаров // Электротехника. - 2008. - № 7. - С. 2-5.
□ Авторы статьи:
Семыкина Завьялов Нехлебова
Ирина Юрьевна, Валерий Михайлович, Светлана Геннадьевна,
канд.техн.наук, доцент каф. докт.т.ехн.наук., доцент, зав каф. студентка гр. ЭА-061 КузГТУ.,
электропривода и автоматизации электропривода и автоматизации E-mail: [email protected]
КузГТУ. E-mail: siyu. [email protected] КузГТУ. E-mail: [email protected]
