CC BY
42
Электротехнические комплексы и системы
Фанис Фанилович Сираев Fanis F. Siraev
студент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Регина Тагировна Хазиева Regina T. Khazieva
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-2-45-51
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
Актуальность
Электропривод переменного тока широко используется в промышленности, он позволяет снизить энергопотребление и обеспечивает высокую надежность. Свое широкое распространение получил из-за высоких технологических характеристик и простоты конструкции, положительно отражающихся на внедрение в производство и модернизации.
Моделирование системы управления электропривода осуществляется с целью регулирования и улучшения технологических параметров. Собранная модель в программе Matlab/Simulink с использованием библиотеки SimPowerSystem позволяет исследовать эффективность управления электроприводом насоса с помощью наглядной модели перед переходом на реальные объекты благодаря плавному регулированию частоты вращения в широком диапазоне оборотов.
Цель исследования
В данной работе осуществляется исследование частотно-регулируемого электропривода насоса. В часы минимума нагрузки предприятий, где используется данная система, будет уменьшаться нагрузка на устройство, так как расход будет значительно меньше. При нагрузках, мощность, потребляемую электроприводом можно снизить, если изменить скорость вращения двигателя. Это достигается разными способами, но наиболее актуальным является использование преобразователя частоты.
Основной задачей является компьютерное моделирование частотно-регулируемого электропривода насоса и исследование результатов моделирования.
Методы исследования
В данном исследовании были использованы следующие методы: изучение научной литературы, компьютерное моделирование, выполненное в программном комплексе Matlab/Simulink с использованием библиотеки SimPowerSystem.
Результаты
Авторами осуществляется исследование частотно-регулируемого асинхронного
электропривода насоса, реализующей снижение скорости вращения для уменьше-
- 45
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, v. 18, 2022
I
I
УДК 62-83(07)
Electrical facilmes and systems
ния мощности, потребляемой электроприводом в часы минимума нагрузки предприятий. Компьютерная модель исследуемого объекта разработана в программном комплексе Matlab/Simulink, произведена оценка скалярного управления электроприводом. В результате моделирования получены осциллограммы, где наглядно видна возможность снижение потребляемой мощности за счет регулирования частоты вращения двигателя.
Ключевые слова: электропривод, асинхронный электродвигатель, преобразователь частоты, частотное регулирование, энергоэффективность
INVESTIGATION OF A FREQUENCY-REGULATORY ELECTRIC DRIVE WITH ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR
Relevance
AC electric drive is widely used in industry, it reduces power consumption and provides high reliability. It has received its wide distribution due to its high technological characteristics and simplicity of design, which have a positive impact on the introduction into production and modernization.
Modeling of the electric drive control system is carried out in order to regulate and improve technological parameters. The assembled model in the Matlab/Simulink program using the SimPowerSystem library allows you to study the efficiency of controlling the electric drive of the pump using a visual model before switching to real objects, thanks to smooth speed control in a wide range of revolutions.
Aim of research
In this paper, a study is made of a frequency-controlled pump electric drive. During the hours of minimum load of enterprises where this system is used, the load on the device will decrease, since the consumption will be much less. Under loads, the power consumed by the drive can be reduced by changing the motor speed. This is achieved in many ways, but the most relevant is the use of a frequency converter.
The main task is computer simulation of a frequency-controlled electric pump drive and the study of simulation results.
Research methods
In this study, the following methods were used: the study of scientific literature, computer modeling performed in the Matlab/Simulink software package using the SimPowerSystem library.
Results
The authors carry out a study of a frequency-controlled electric drive of the pump, which implements a reduction in the rotation speed to reduce the power consumed by the electric drive during the hours of minimum load of enterprises. The computer model of the object under study was developed in the Matlab/Simulink software package, the scalar control of the electric drive was evaluated. As a result of the simulation, oscillograms were obtained, where the possibility of reducing power consumption by adjusting the engine speed is clearly visible.
Keywords: electric drive, asynchronous motor, frequency converter, frequency control, energy efficiency
Электротехнические комплексы и системы
Для снижения потребляемой нагрузки в часы минимума нагрузки предприятий, где используется данная система, можно снизить мощность, потребляемую электроприводом, если изменить скорость вращения двигателя. Это достигается разными способами, но наиболее актуальным является использование преобразователя частоты.
Актуальной задачей является исследование системы управления частотно-регулируемого электропривода насоса с системой управления на основе диодов и ЮВТ-транзисторов, реализующих способ изменения напряжения или частоты для регулирования исследуемых параметров.
Преобразователь частоты — это полупроводниковое силовое устройство, которое позволяет питать электрические двигатели переменным напряжением и частоты, при этом сам преобразователь подключается к сети.
Большой набор параметров расширяет область применения преобразователей. Кроме того, такие устройства имеют 8 коммутационных комбинаций:
— 6 дискретных прп/рпр входов;
— 2 аналоговых входа, которые могут использоваться как дискретные входы.
Таким образом, при регулировании частоты питания осуществляется и регулирование частоты вращения ротора. Поэтому такие устройства являются наиболее перспективными, так как они более экономичные и обеспечивают высокое качество регулирования скорости по сравнению с другими способами управления электропривода с асинхронным электродвигателем.
Способ изменения скорости вращения двигателя путем изменения действующего значения частоты и напряжения источника называется скалярным управлением, который изменяется по закону:
где п>1.
= const,
fn '
Скорость вращения ротора асинхронного двигателя:
п-п
(л) =
30
(2)
где п — скорость вращения ротора, которая определяется формулой 60-/
(3)
где s — скольжение.
Механические характеристики электропривода приведены на рисунке 1, их описывает выражение:
Мс = Мсо + Шсном - Мсо) * (4)
где MC — статическии момент сопротивления;
MC0 — статическиИ момент сопротивления механизма в режиме холостого хода (то есть без нагрузки);
s — статическиИ момент сопротивления механизма, вращающегося со скоростью равноИ номинальной ;
у — показатель степени, учитывающий характер зависимости МС(ю).
Объектом исследования является электропривод с асинхронным электродвигателем, соответственно, у = 2.
В общем случае движение электропривода, совершающего вращательное движение, можно представить в виде следующего уравнения:
М - Мс = ]—. с J dt
(5)
(U1/f1 )=const
(1)
Мс1 Мен Мс2 Рисунок 1. Механические характеристики
Figure 1. Mechanical characteristics
Electrical facilities and systems
Регулирование вращения электропривода позволяет реализовать плавный процесс работы насоса, что благоприятно влияет на процесс перекачки. Данный способ регулирования является энергетически эффективным, позволяет снизить мощность электропривода, когда это необходимо.
В статье рассматривается проектирование частотно-регулируемого электропривода насоса, который позволяет добиться снижения ресурсоемкости, её стоимости, увеличить КПД устройства.
Система управления электропривода представляет собой электротехнический комплекс, модель которого построена с использованием библиотеки SimPower-System в программном комплексе Matlab/ Simulink (рисунок 2). Необходимость компьютерного моделирования обусловлена режимами работы частотно-регулируемого привода и дороговизной элементной базы. Использование наглядной модели позволяет избежать затрат на дорогостоящие комплектующие перед переходом на реальные объекты.
Источник постоянного напряжения (DC Voltage Source) подключается к преобразователю частоты. В качестве преобразователя частоты был использован блок
Universal Bridge c IGBT-транзистором, которые рассматриваются как ключи на исследуемой частоте. Такие транзисторы имеют малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких значениях напряжения. Кроме того, имеется блок широтно-импульсной модуляции PWM Generator, который подключается к инвертору. Результаты исследования выводятся в осциллографы.
Полученная информация в результате решения задачи магнитного поля переменных токов позволила понять, как ведут себя параметры в ходе проведения исследования. Так, четко видно снижение угловой скорости ротора при снижении напряжения по осциллограмме, неизменное значение электромагнитного момента в течение рассматриваемого времени. Результаты решенной задачи приведены на рисунках 3-5.
Осциллограммы, полученные в ходе исследования, показывают торможение электродвигателя при снижении напряжения. На рисунке 3 представлена осциллограмма, которая показывает, что при увеличении статического момента происходит снижение угловой скорости ротора.
Осциллограмма электромагнитного момента при уменьшении напряжения
Рисунок 2. Модель частотно-регулируемого электропривода с асинхронным
электродвигателем
Figure 2. Model of frequency-controlled electric drive with asynchronous electric motor
Электротехнические комплексы и системы
представлена на рисунке 4. Среднее значение электромагнитного момента остается неизменным в течение рассматриваемого промежутка времени. В начальный интервал времени, когда машина разгоняется, момент изменяется в определенных пределах. Через 6 с момент принимает постоянное значение.
На рисунке 5 видно, что угол поворота ротора увеличивается в интервале ? = 0-6 с, затем снижается. Снижение происходит из-за того, что угол поворота
ротора имеет зависимость от скольжения, которое, в свою очередь, зависит от напряжения.
При снижении напряжения снижается угловая скорость двигателя, которая определяет частоту вращения, что свидетельствует об уменьшении потребления реактивной мощности за счет снижения тока намагничивания, при этом одновременно уменьшаются потери активной мощности, соответственно, увеличивается КПД.
Рисунок 3. Осциллограмма угловой скорости ротора при снижении напряжения
Figure 3. Oscillogram of the angular velocity of the rotor when the voltage decreases
Рисунок 4. Осциллограмма электромагнитного момента при снижении напряжения
Figure 4. Oscillogram of the electromagnetic moment when the voltage decreases
Рисунок 5. Осциллограмма угла поворота ротора при снижении напряжения Figure 5. Oscillogram of the angle of rotation of the rotor when the voltage decreases
Electrical facilmes and systems
Заключение
Авторами проведено исследование частотно-регулируемого электропривода насоса, реализующего снижение потребляемой мощности в часы минимума нагрузки предприятий, за счет регулирования частоты вращения электродвигателя, что позволит достичь экономии электроэнергии. В программном комплексе Marlab/Simulink разработана компьютерная модель частотно-регулируемого электропривода с асинхронным электродвигателем, произведена оценка энергоэффективности. Использование преобразователя частоты увеличивает энергоэффективность благодаря плавному регулированию частоты вращения в широком диапазоне оборотов.
Выводы
По результатам исследования можно сделать следующие выводы.
Список источников
1. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: ACADEMA, 2004. 202 с.
2. Коломиец А.П. Электропривод и электрооборудование. М.: КолосС, 2007. 328 с.
3. Усольцев А.А. Современный асинхронный электропривод оптико-механических комплексов: учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. 164 с.
4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
5. Воронин П.А. Системы управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода: метод. указания по курсу «Системы управления электроприводов». Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2011. 51 с.
6. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: ACADEMA, 2006. 265 с.
7. Димукашева Г.Е., Стрельников Д.С., Зекрин Б.Р., Хазиева Р.Т. Изучение устойчи-
1. Основной задачей компьютерного моделирования разработанного технического решения являлось получение количественных и качественных результатов процесса скалярного управления электропривода.
2. В результате исследования работы электропривода при уменьшении напряжения определено снижение угловой скорости ротора, что позволило характеризовать уменьшение потребляемой мощности за счет снижения тока намагничивания, что влечет за собой увеличение КПД, соответственно, подтверждает эффективность частотного регулирования при небольших нагрузках.
3. Решение задачи с помощью компьютерного моделирования позволило подтвердить повышение энергоэффективности при скалярном управлении электропривода в широком диапазоне оборотов.
вости работы частотно-регулируемого асинхронного электропривода магистрального насосного агрегата // Булатовские чтения: сб. ст. IV Международной научно-практической конференции, 2020. С. 275-280.
References
1. Braslavskii I.Ya., Ishmatov Z.Sh., Polya-kov V.N. Energosberegayushchii asinkhronnyi elektroprivod [Energy-Saving Asynchronous Electric Drive]. Moscow, ACADEMA Publ., 2004. 202 p. [in Russian].
2. Kolomiets A.P. Elektroprivod i elektro-oborudovanie [Electric Drive and Electrical Equipment]. Moscow, KolosS Publ., 2007. 328 p. [in Russian].
3. Usol'tsev A.A. Sovremennyi asinkhronnyi elektroprivod optiko-mekhanicheskikh kompleksov: ucheb. posobie [Modern Asynchronous Electric Drive of Optical-Mechanical Complexes: Training Manual]. Saint-Petersburg, SPbGU ITMO, 2011. 164 p. [in Russian].
4. Chernykh I.V. Modelirovanie elektro-tekhnicheskikh ustroistv vMATLAB, SimPowerSystems i Simulink [Modeling of Electrical
Электротехнические комплексы и системы
Devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink]. Moscow, DMK Press; Saint-Petersburg, Piter Publ., 2008. 288 p. [in Russian].
5. Voronin P.A. Sistemy upravleniya chastotno-reguliruemogo asinkhronnogo elektroprivoda: metod. ukazaniya po kursu «Sistemy upravleniya elektroprivodov» [Control Systems of Frequency-Controlled Asynchronous Electric Drive: Methodological Guidelines for the Course «Control Systems of Electric Drives»]. Orenburg, IPK GOU OGU, 2011. 51 p. [in Russian].
6. Sokolovskii G.G. Elektroprivody pere-mennogo toka s chastotnym regulirovaniem [Alternating Current Electric Drives with
Frequency Control]. Moscow, ACADEMA Publ., 2006. 265 p. [in Russian].
7. Dimukasheva G.E., Strel'nikov D.S., Zekrin B.R., Khazieva R.T. Izuchenie ustoi-chivosti raboty chastotno-reguliruemogo asinkhronnogo elektroprivoda magistral'nogo nasos-nogo agregata [Studying the Operation Stability of a Frequency-Controlled Asynchronous Electric Drive of the Main Pumping Unit]. Sbornik statei «Bulatovskie chteniya» IV Mezhdu-narodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Collection of Articles «Bulatov Readings» of the IV International Scientific and Practical Conference]. 2020, pp. 275-280. [in Russian].
