CC BY
22
УДК 621.313
А. Ф. Бирюков, А. П. Афанасьев
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ТРЁХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ СКОЛЬЖЕНИЯ
В данной работе предложен метод повышения эффективности работы асинхронного привода при низких частотах и небольших величин нагрузок с помощью компенсации скольжения. Предложенный метод проанализирован с помощью SIMULINK-модели системы управления электроприводом. Данная модель позволила определить оптимизационную поправку к питающему напряжению.
Ключевые слова: горно-обогатительное оборудование, управляемый асинхронный электропривод, энергоэффективная оптимизация, компенсация скольжения, имитационное моделирование электропривода.
Введение
Горно-обогатительное оборудование является наиболее энергоёмким, его работа должна гарантировать строгое соблюдение технологического режима. Двигатели, с помощью которых осуществляется производственный процесс в горно-обогатительной отрасли, как правило, работают с резко-переменными нагрузками. В связи с этим роль эффективного управления данными системами электропривода имеет немаловажное значение с точки зрения энергоэффективности.
Электропривод горно-обогатительного оборудования на 90 % состоит из асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.
При низких нагрузках коэффициент полезного действия данных двигателей имеет тенденцию к резкому убыванию по причине возрастающих потерь в обмотке и сердечнике статора.
Существует несколько способов управления скоростью асинхронного двигателя. Наиболее распространённые их них приведены на диаграмме, представленной на рисунке 1.
Бирюков Алексей Фёдорович — магистрант 2 курса (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан).
Афанасьев Александр Петрович — кандидат технических наук, доцент, и.о. заведующего кафедрой технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: mr.preceptor@yandex.ru.
© Бирюков А. Ф., Афанасьев А. П., 2017
17
Рис. 1. Способы регулирования скорости асинхронного двигателя
Как видно из представленной диаграммы, одним из вариантов является изменение величины питающего напряжения. Но изменять только напряжение недостаточно, так как электромагнитный момент, развиваемый двигателем, зависит от квадрата напряжения согласно выражению (1):
Г ~ Л
1
2ф
3V
TH
\lRTH + (XTH + X2)2
v RTH +
(1)
Для того, чтобы величина электромагнитного момента находилась в желаемых пределах, необходимо менять величину (О по закону, приведённому в выражении (2):
V = — V
VI Г V n'
J n
(2)
здесь V и /п — номинальные напряжение и частота, соответственно.
Графически это соотношение представлено на рисунке 2.
Данное соотношение является определяющим при скалярном способе управления скоростью двигателя.
Недавние исследования [2, 3] показали, что постоянство отношения напряжения статора к частоте не соответствует оптимальным параметрам энергопотребления асинхронного двигателя.
С помощью экспериментальных исследований было показано, что вблизи малых значений нагрузочного момента и частоты зависимость соотношения между напряжением и частотой для максимальных значений коэффициента полезного действия принимает более сложный нелинейный характер.
18
U/f - характеристика
400 350
3ÖO
250
150
100
0 /
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Частота, f (Гц)
Рис. 2. Взаимосвязь напряжения и частоты при скалярном регулировании скорости привода
В работе [1] авторы, опираясь на предположение о том, что наиболее эффективным значением скольжения является критическое значение, предлагают скалярную систему управления АД с обратными связями, которая по своим характеристикам сравнима с классической векторной системой и, соответственно, частично компенсирует недостатки, связанные с уменьшением коэффициента полезного действия в области малых частот, питающего напряжения и малых значений нагрузок.
Для того, чтобы во всём диапазоне изменения частоты вращения двигателя и нагрузочного момента КПД был максимально возможным, необходимо, чтобы скольжение двигателя было оптимальным для заданных значений напряжения и частоты.
Управление (компенсация) скольжением возможно соответствующим выбором добавки напряжения к заданному напряжению на зажимах статора. Таким образом, цель настоящего исследования — выбор напряжения, соответствующего максимальному коэффициенту полезного действия двигателя в широких пределах изменения момента нагрузки и частоты вращения.
Блок управления скольжением
Для компенсации скольжения относительно оптимального значения было предложено использовать интегральный регулятор (3), который позволяет получить значение добавочного напряжения не только для текущего отклонения скольжения, но и учитывать всю «историю» ошибок.
19
Коб = к, | (- Л (3)
Как видно из приведённого выше соотношения, необходимо подобрать К, который бы соответствовал максимальному КПД.
Для реализации блока управления скольжением была создана SIMULINK модель, в которой был воплощён предложенный выше подход.
На рисунке 3 представлена модель блока управления, которая является частью общей имитационной модели работы асинхронного двигателя в различных тестовых режимах.
—ш-J
Рис. 3. Схема контроллера блока оптимизации скольжения
На рисунке 4 представлена общая модель асинхронного электропривода с блоком оптимизации скольжения.
На представленном изображении блок оптимизации скольжения находится в подсистеме «S-controller».
На вход блока «S-controller» подаётся заданное значение частоты питающего напряжения — f требуемое значение скольжения — s, обусловленное конструкцией двигателя и действительное значение скольжения — Slip, полученное с датчиков измерительных блоков электропривода.
На выходе значения питающего напряжения ротора с учётом компенсирующего скольжение добавочного напряжения.
Результаты моделирования и их анализ
Результаты имитационного эксперимента показывают, что вблизи малых значений частот напряжения питания двигателя и низких нагрузочных моментов, а также при частоте, близкой к промышленной (50 Гц), коэффициент полезного действия двигателя с блоком компенсации скольжения имеет более высокие значения, что подтверждает эффективность предложенного алгоритма.
20
Рис. 4. Имитационная модель асинхронного электропривода с блоком оптимизации скольжения
В остальных диапазонах работы двигателя наблюдаются примерно равные значения КПД для обеих схем.
Рисунок 5 иллюстрирует работу интегрального регулятора блока оптимизации скольжения при частоте питающего напряжения 5 Гц и нагрузочном моменте 15 Н*м.
Рие. 5. Значения скольжений асинхронного двигателя с учётом и без учёта оптимизации при заданных условиях
Как видно из рисунка, на начальном этапе имитации значения скольжения в моделях с оптимизацией и без оптимизации не определено и подвержено резким скачкам.
В дальнейшем, по мере накопления интегралом «истории отклонений» скольжения, оптимизированное значение скольжения имеет более
21
низкий уровень, что свидетельствует об уменьшении магнитного потока поля статора и, следовательно, меньшего энергопотребления.
Вывод
Предложенный в настоящей работе подход, основанный на идее компенсации скольжения, позволяет повысить коэффициент полезного действия асинхронного электропривода при низких частотах питающего напряжения и малых нагрузочных моментах от 25 до 40 % по сравнению с «классическим» скалярным способом управления.
Учёт оптимизации скольжения позволяет работать приводу с более энергоэффективными показателями вследствие уменьшения энергетических потерь в узлах асинхронного двигателя.
Данный метод управления отличается простотой осуществления и надёжностью.
Список литературы
1. Емельянов А. П., Чуркин Б. А. Скалярное управление асинхронным коротко-замкнутым двигателем по активной составляющей тока статора / / Вестник ЮУрГу. Серия «Энергетика». 2014. Т. 14. № 3. С. 85 — 90.
2. Leonhard W. Controlled AC Drives, a Successful Transfer from Ideas to Industrial Practice // Control Engineering Practice. Vol. 4. № 7. 1996. P. 897 — 908.
3. Li J., Xu L., Zhang Z. A new efficiency optimization method on vector control of induction motor // Proc. IEEE Conf. Electrical Machines and Drives. 2005. P. 1995 — 2001.
•Jc -Jc -Jc
Birykov Alexey F., Afanasyev Alexander P.
ENERGY-EFFICIENT CONTROL OF FREQUENCY-REGULATED THREE-PHASE ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE OF MINING EQUIPMENT BY THE METHOD OF SLIP COMPENSATION
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)
In this paper, we propose a method for increasing the efficiency of an asynchronous drive at low frequencies and small loads with the help of slip compensation. The proposed method is analyzed using the simulink model of the electric drive control system. This model allowed to determine the optimization correction to the supply voltage.
Keywords: mining equipment, controlled asynchronous electric drive, energy-efficient optimization, slip compensation, simulation of the electric drive.
References
1. Emelianov A. P., Churkin B. A. Scalar control of squirrel-cage induction motor with stator active current, Bulletin of the South Ural State University, Series "Power Engineering", 2014, vol. 14, no. 3, pp. 85—90.
2. Leonhard W. Controlled AC Drives, a Successful Transfer from Ideas to Industrial Practice, Control Engineering Practice, vol. 4, no. 7, 1996, pp. 897—908.
3. Li J., Xu L. and Zhang Z. A new efficiency optimization method on vector control of
induction motor, Proc. IEEE Conf. Electrical Machines and Drives, 2005, pp. 1995—2001.
* * *
22
