Повышение эффективности частотного управления асинхронными электроприводами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Список литературы

1. Товстолес Ф.П. Гидравлика и насосы. Ч. III. Насосы. - М.-Л.:ГОНТИ, 1938

2. Ильин В.Г. Расчёт совместной работы насосов, водопроводных сетей и резервуаров. - Киев: Госстройиздат УССР, 1963

3. Белозоров Н.П., Луговской М.В. Расчёт систем водоснабжения с применением вычислительной техники. - М.: Колос, 1973

4. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. - М.: Энергоатомиздат, 2006

5. Альтшуль А. Д., Киселёв П.Г. Гидравлика и аэродинамика. -М.: Стройиздат, 1975

6. Теплов A.B. Основы гидравлики. - М.-Л.: Энергия, 1965

7. Лезнов Б.С. Характеристики разветвлённых трубопроводов с промежуточными отборами воды // Водоснабжение и санитарная техника. 2007. -№12

8. Березин С.Е. Управление воздуходувками - действенная мера энергосбережения в инфраструктуре водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. -№3

УДК 62-83-52 + 621.313.33 + 622.233-83

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

B.JI. Кодкин, А. С. Аникин

Южно-Уральский государственный университет (НИУ), Россия, г. Челябинск kodkina2@mail. ru, anikinalex86@mail. ru

С 90-х годов прошлого века стало бесспорным утверждением, что наиболее эффективными электроприводами являются асинхронные электроприводы с частотным управлением. Этому способствовало, с одной стороны, массовое производство высококачественных преобразователей частоты на полностью управляемых силовых транзисторах с

хорошими вычислительными ресурсами, с другой стороны, сохранив-

гателей. В целом, эти положения справедливы до сих пор, несмотря на то, что асинхронные двигатели (АД), предназначенные для частотного управления, существенно превосходят обычные по весу, габаритам и

стоимости, а также, несмотря на многочисленные проблемы, связанные с управлением этих двигателей.

В данной статье рассматриваются особенности механических характеристик асинхронных электроприводов, а также методы, повышающие их эффективность в статических режимах. К статическим режимам можно отнести режимы работы с постоянной нагрузкой, а также нагрузкой, период изменения которой измеряется десятками секунд. Принято считать, что для таких режимов наиболее сложным является работа на малых скоростях (5-10% номинальной скорости). Однако в ходе экспериментов с тяговым электроприводом самоходного вагона для горнодобывающей отрасли было установлено, что при нагрузке выше номинальной, на скоростях близких к номинальной, перегрузочная способность привода уменьшается с ростом скорости, что приводит к росту статорных токов. Общепринятые алгоритмы коррекции при этом только ухудшают положение, а рекомендации, заключающиеся в сохранении основного потока в двигателе неизменным, создают .

Исследования проводились на самоходном вагоне с асинхронным электроприводом, состоящем из четырех мотор-колес общей мощностью 90 кВт и преобразователя частоты (ПЧ) Уасоп (Финляндия) при

нагрузке от Мн до 1,5МН [1, 2]. Они показали, что при управлении дви-

-

ющего напряжения от 15 до 50 Гц рост частоты ухудшает тяговые характеристики привода и приводит к возрастанию статорных токов от 100 А при 17 Гц до 150 А при 50 Гц.

Это не соответствует общепринятым представлениям о «параллельном» перемещении механических и электромеханических харак-

-

менным отношением напряжения к частоте (иЯ). Данный факт противоречит утверждениям об ухудшении тяговых характеристик привода при снижении частоты питающего напряжения [3, 4]. Следует отметить, что последнее утверждение относится к частотам порядка 0,1^ (50 Гц), но часто его «пролонгируют» и на другие частоты. При этом общепринятые методы коррекции, применяемые в ПЧ ряда фирм (1Я-компенсация, компенсация скольжения) при перегрузках, о которых судят по возрастанию статорных токов асинхронного двигателя, увеличивают частоту выходного напряжения, что приводит к еще боль-

телей. Причем возрастание токов настолько значительно и стабильно, что его нельзя отнести на счет факторов, которыми, обычно, пренебрегают при рассмотрении частотного привода (нелинейность кривой намагничивания двигателей, влияние высших гармоник и т.д.). Следу-

ет отметить еще и то, что применяемые разработчиками электродвигателей программы для расчета в этих режимах (М>МН, £<50 Гц, и/^еопэ!:) также не показывают роста статорных токов при возрастании частоты.

Только профессор Е.К. Ещин в своей работе [5] отмечает подобный факт снижения электромагнитного момента асинхронного электродвигателя при увеличении частоты питающего напряжения. Однако, он объясняет это явление изменением пространственного положения статора вокруг оси ротора, вызванного перемещением корпуса

-

стоту поля вращения статора, от которой зависит величина электромагнитного момента. На взгляд авторов такая трактовка не слишком убедительна для увеличения тока на 30-40 %.

Следует обратить внимание на исследования, проведенные в конце 90-х годов на кафедре ЭПА ЧПИ (ныне ЮУрГУ) доцентом С. Д. Левинтовым [6]. В этой работе рассчитываются критические точ-

.

Поведение двигателя во всем диапазоне нагрузок не исследуется. Одним из результатов работы являются зависимости относительного и

-

жения при конечных значениях активного сопротивления статорной цепи Г|. Показано, что при снижении частоты абсолютное критическое скольжение уменьшается, а относительное увеличивается, но в меньшей степени, чем при Г]=0. Эти зависимости также противоречат традиционным представлениям о смягчении механических характеристик АД и, как следствие, ухудшении тяговых свойств ЭП при снижении частоты питающего напряжения [2, 3]. Однако эти результаты под.

Для того чтобы объяснить эту особенность работы привода, обратимся к векторным диаграммам процессов в АД, построенным по схемам замещения (рис. 1). Погрешность перехода от Т-образной схемы к Г-образной составляет 1-2%, тогда как анализ по Г-образной схеме значительно проще и нагляднее.

Г, X, Х2 Г! X, х2

а)

б)

Рис. 1. Т- образная (а) и Г-образная (б) схемы замещения АД

Вектор основного магнитного потока сонаправлен с вектором тока намагничивания Фт ТТ ¡и, значит, угол ф является углом между вектором и вектором тока ротора 1р. На рис. 2а приведена векторная диаграмма, не учитывающая активное сопротивление статора гь что чаще всего принимается при анализе АД.

-

ное скольжение, и сохраняется постоянным абсолютное. Полагая г,=0. получаем, что возрастание частоты при сохранении и^^сог^ не приводит к изменению взаимного положения векторов и 1р. а увеличение хк компенсирует увеличение II], и электромагнитный момент

сохраняется неизменным. При этом сохраняется и ток статора

к = 'дН

\М\ = |/ | ■ \l \-sinq),

'р| ид

до> 0

^<0

да)

а) б)

Рис. 2. Векторные диаграммы АД при г 1=0 (а) и гф) (б)

Учет Г] при снижении частоты и напряжения приводит к снижению амплитуды тока ротора, т.к. полное сопротивление уменьшается «медленнее» частоты и для того же тока ротора должен увеличиваться ток статора, что обычно учитывается методиками расчета. При этом опускают тот факт, что г, не только уменьшает ток в эквивалентной цепи «ротор-статор» по Г-образной схеме замещения, но и изменяет его характер, т.е. увеличивает втер. При определенных условиях рост втер может стать более значительным фактором, чем уменьшение / и позволит развить необходимый момент меньшими токами 1р и 11, что и

наблюдалось при испытаниях частотно-регулируемого электропривода самоходного вагона [1]. Это иллюстрируется векторными диаграммами на рис. 2 б.

Аналитически доказать это утверждение удалось с помощью анализа уточненной формулы Клосса

2Мк(1 +аБк)

М =

f+ ^+2 ask

sk s

Заменим относительные скольжения абсолютными и примем следующие обозначения

Ask As /As Ask\ гг

<Dn' \As,. As)' r7'

тогда формула примет следующий вид

=

2Mk(a)0+aAsk) bco0 + 2 aAsk

Допустим, что Mk. Ask и As - постоянные, т.е. будут рассматриваться механические характеристики асинхронного двигателя при изменении частоты питающего напряжения и одинаковом абсолютном скольжении. Продифференцировав электромагнитный момент М по синхронной скорости (скорости идеального холостого хода) ш0, получим

дМ 2Мк(со0Ь + 2aAsk - co0b - baAsk) 2aAskMk(2 - b) д(оп

(ш0Ь + 2 aAsk)2 As

(сo0b + 2aAsk)2

т. k. b

= + \Дя As,

>2,

то при любых положительных Ask и As и афО

дМ

да)0

т.е. если афО и при сохранении неизменными Мк и Sk с увеличением (о0 для одних и тех же скольжений момент двигателя будет уменьшаться и для его формирования потребуется больший статорный ток, причем, чем больше а (т.е. rj), тем значительнее это снижение момента.

Если учитывать, что при учете гj критический момент Мк уменьшается при уменьшении частоты (-> (J),

расчет незначительно

усложняется:

дМ дсо0

со0Ь + 2 аД^

2ЬМк(й)0)(ш0 + аД^) (о)0Ь + 2аАзк)2

пдМк(ш0) ,

д^ + аЛ5^ 2Мк(а)0)(а>0Ь + 2аД^ - ш0Ь - ЬаАэк)

со0Ь + 2аД5к (<У0Ь + 2аД?к)2

п дМк(о>(]) г л

_ 2 дш0 + аАЗк1 2аАзкМкМ(2 - Ь)

ш0Ь + 2 аД^

(<¿>0^ + 2 аД^)2

При а=0, т.е. при гг=0

дМ _ 1 дМк(ы0)

дсо0 Ь дш0

т.о. изменение момента пропорционально изменению критического

дм

момента, но при а^О знак-может и изменяться, что соответствует

дй)с

изменению наклона механических характеристик при изменении частоты питающего напряжения (рис. 3).

Рис. 3. Механические характеристики АЭП

Проведенные расчеты показывают, что производная при изменении момента от 1,2 до 1,5 момента номинального отрицательна, т.е. рост частоты уменьшает момент двигателя, а значит, для компенсации его снижения необходимо увеличивать статорный ток. Эта особенность проявляется, главным образом, при больших нагрузках, при которых механическая характеристика смягчается. Для ее компенсации требуется коррекция, противоположенная применяемым сейчас, -

-

ния напряжения, а при отсутствии такой возможности - уменьшением .

Разработанные алгоритмы, изложенные в [6], подтвердили свою эффективность при испытаниях самоходного вагона. Заезды самоходного вагона по одной и той же трассе при разных частотах задания (рис. 4-6) показали, что фактическая скорость передвижения практиче-

Рис. 5. Диаграммы работы тягового ЭП самоходного вагона при 50 Гц

Рис. 6. Диаграммы работы тягового ЭП самоходного вагона при 40 Гц

Однако статорные токи I на 30 % (50 Гц) и 50% (40 Гц) ниже, чем при 60 Гц. В целом применение алгоритмов с усиленным потоком позволило увеличить грузоподъемность самоходного вагона более чем в 1,5 раза с 8-9 т до 14-16 т. Это должно найти свое применение в электроприводах, испытывающих частые перегрузки.

Уменьшение частоты кроме того увеличивает угол между векторами тока ротора и магнитного потока, что еще больше увеличивает жесткость механических характеристик привода и позволяет получить необходимый момент при сниженном токе статора. Это позволяет существенно поднять эффективность электроприводов, особенно в транспортных средствах.

Список литературы

1. Мальчер М.А. Проблемы внедрения частотного регулирования в горнодобывающей отрасли / М.А. Мальчер, A.C. Аникин // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - №4 - С. 40-46.

2. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: «ACADEMIA», 2006 - 267 с.

3. Фигаро Б.И. Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. - Минск: Техноперспектива, 2006. - 363 с.

4. Ещин Е.К. Электромеханические системы многодвигательных электроприводов. Моделирование и управление / Е.К. Ещин - Кемерово: Кузбасский гос.техн.ун-т, 2003. - 247 с.

5. Исследования автоматизированных электроприводов, электрических машин и вентильных преобразователей: Тематический сборник

научных трудов / под ред. В.А. Лифанова, С.Д. Левинтова. - Челябинск: ЧПИ, 1990- 160 с.

6. Пат. 2412526 Российская Федерация, МПК6 И 02 Р 23/00. Устройство частотного управления асинхронным электроприводом / В.Л. Кодкин, A.C. Аникин. - № 2010108563/07, заявл. 09.03.2010; опубл. 20.02.2011, Бюл. № 5 - 12 с.

УДК 621.313.333

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОДКАТА ЧИСТОВОЙ ГРУППЫ СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕТЛЕДЕРЖАТЕЛЯ В.Н. Мещеряков, Е.Е. Дидепко

Липецкий государственный технический университет, Россия, г. Липецк [email protected], сИс1впко_ее@таИ ги

При работе системы автоматического регулирования натяжения (САРЕ) полосы в чистовой группе широкополосного стана горячей прокатки по косвенному принципу регулирования, большое значение играет точность расчёта момента двигателя на валу «безразличного» .

Известно, что в установившемся режиме момент, развиваемый двигателем петледержателя, должен быть уравновешен моментом нагрузки со стороны прокатываемой полосы. В противном случае, рама петледержателя будет подниматься или опускаться, отклоняясь от заданного рабочего угла, а контур регулирования петли САРН для данного межклетевого промежутка будет выдавать корректирующий

.

При этом основной задачей петледержателя является поддержание требуемого натяжения полосы в межклетевом промежутке, регулируя соотношения скоростей соседних клетей [1].

Уравнение движения для электропривода петледержателя имеет вид [2]:

» ✓ г ¿(О

М -М =J —. я с мех dt

(1)

где ^ех — суммарный момент инерции механизма петледержателя, Мс (Мпи,,р) - статический момент (момент нагрузки) на валу петледержателя по формуле, Мя - момент, развиваемый электроприводом.