Синхронизированный асинхронный электропривод Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

5. Абденов А.Ж. Активная идентификация линейных динамических систем для решения задач калмановской фильтрации. Ч.1. Теоретические и алгоритмические аспекты // Науч. вестник НГТУ. 1998. № 4. С. 3-15.

6. Абденов А.Ж. К вопросу повышения точности оценок параметров на основе оптимального планирования точности измерителей // Автометрия. 1999. №4. С. 124-129.

7. Элти Дж., Кумбс М. Эспертные системы: концепции и примеры. М.: Финансы и статистика, 1987.

8. Емельянов А.А. Имитационное моделирование в управлении рисками. СПб.: Санкт-Петербургская государственная инженерно-экономическая академия, 2000.

D.Korev, I. Ozernyh

Mathematical modelling is in tasks of automation of energytechnological systems

Principles of power technological system modelling in space of conditions are considered. The mathematical model in space of conditions for the description of power technological system dynamics is presented. Problems necessary for the decision are allocated.

Keywords: balance of power, internal resources, technological process, power efficient control, energytechnological system.

Получено 06.07.10

УДК 629.9:502.14:62-83

В.Н. Мещеряков, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, 8-910-742-94-75, mesherek@stu.lipetsk.ru (Россия, Липецк, ЛГТУ), А.М. Башлыков, асп., 8-906-593-56-28, bashlykov-am@rambler.ru (Россия, Липецк, ЛГТУ)

СИНХРОНИЗИРОВАННЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Рассмотрена система синхронизированного асинхронного электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором с преобразователем частоты в цепи статора и коммутатором тока роторных обмоток. Система управления электроприводом реализует минимизацию электрических потерь при условии поддержания главного магнитного потока, что позволяет поддерживать постоянный критический момент приводов со случайным графиком нагрузки. Представлена структурная схема предлагаемой системы.

Ключевые слова: энергосбережение, синхронизированный асинхронный электропривод, двигатель.

Введение. Вследствие того, что затраты на экономию 1 кВт мощности обходятся в 4-5 раз дешевле стоимости вновь вводимого 1 кВт мощности, энергосбережение стало одним из приоритетных направлений технической политики во всех странах мира.

101

Рассматривая проблему энергосбережения на промышленных предприятиях, следует обратить внимание на то, что около 70...80 % всех электродвигателей являются асинхронными, причем большая часть из них установлена в нерегулируемых приводах. Большинство таких электроприводов оснащены асинхронными электродвигателями с коротко-замкнутым ротором (АД КЗ). Проблема энергосбережения в таких случаях решается применением частотного преобразователя (ПЧ), однако все модели ПЧ ориентированы на АД КЗ, в то время как наиболее распространенными регулируемыми электроприводами переменного тока до середины 90-х годов являлись электропривода оснащенные асинхронным двигателем с фазным ротором (АД ФР) вследствие простоты регулирования скорости через цепь ротора. Такими приводами, как правило, оснащены подъемно-транспортные механизмы (конвейеры, краны и т.п.). Непосредственный перевод указанных приводов на частотно-регулируемое управление затруднено тем, что стандартные ПЧ предназначены для работы с АД КЗ в которых отсутствует фазная обмотка ротора, а ее замыкание накоротко приводит к дополнительным электромагнитным потерям по сравнению с АД КЗ. Перспективным направлением является разработка и исследование систем управления синхронизированным АД.

Актуальность исследования обусловлена следующими возможностями синхронизированных машин:

1) обеспечение абсолютно жестких характеристик;

2) снижение потребления электроэнергии;

3) простота поддержания заданной скорости при глубоком регулировании;

Существуют и проблемы, связанные с внедрением синхронизированного привода:

1) надежность запуска двигателя;

2) устойчивость синхронизированного привода к перегрузкам;

3) обеспечение равномерного нагрева фаз роторной обмотки;

4) минимизация тепловых потерь в машине.

Достоинства. Достоинством синхронизированного асинхронного электропривода (САЭП) является то, что точное поддержание заданной скорости не требует наличия сложного вычислительного аппарата и использования датчиков скорости на валу двигателя. Также синхронизированный асинхронный электропривод позволяет улучшить энергетические характеристики и повысить перегрузочную способность по сравнению с электроприводом на базе АД КЗ.

Проблемы. Особое внимание следует отвести режиму пуска синхронизированного двигателя. Имеют место два основных способа запуска таких машин: асинхронный, с последующей синхронизацией и частотный.

Первый способ в целях упрощения анализа считают состоящим из двух этапов. На первом этапе происходит разгон двигателя в асинхронном

режиме до подсинхронной скорости, которая характеризуется рабочим скольжением асинхронного двигателя Sp [2]. Затем следует процесс втягивания двигателя в синхронизм, который носит сложный колебательный характер и в значительной степени зависит от двух параметров: подсинхрон-ной скорости соПС и значения момента инерции на валу двигателя J. Проверку условия вхождения в синхронизм можно производить, пользуясь формулой Р.А. Лютера:

В результате моделирования было установлено, что на надежность синхронизации большое влияние оказывает момент подачи возбуждения в цепь ротора и при правильном его подборе удается добиться оптимального переходного процесса.

Второй способ - частотный, удобен тем, что он не требует дополнительных пусковых схем на стороне статора или ротора, также нет необходимости и в гонных двигателях.

Основным критерием при анализе процесса синхронного частотного пуска является угол 81 - угол между результирующим вектором тока статора и продольной осью ротора. Для исследуемого синхронизированного асинхронного двигателя типа МТМ111-6 максимально возможная начальная частота, при которой ротор не выпадает из синхронизма, равна

Начальная частота /0 должна поддерживаться примерно 0,5.0,8 с, для того, чтобы результирующий вектор тока статора сделал минимум один оборот, «подхватывая» вектор магнитного потока ротора и увлекая его за собой, втянул ротор в синхронизм, а также успокоились колебания ротора, после чего можно равномерно повышать частоту до необходимого

1,7 Гц (рис. 1). §, рад 3,0 -

1,00,0

-1,0 4

-3,0 -

Рис. 1. График зависимости угла 8 от величины начальной частоты/0: 1 - при /о = 4,5 Гц; 2 - при /0 = 0,9 Гц; 3 - при /0 = 1,7 Гц

значения. С увеличением ^ возрастают амплитуда и период колебаний угла 8, максимально возможная интенсивность нарастания частоты при номинальной нагрузке на возрастающей волне скорости для исследуемого двигателя равна 10 Гц/с (рис. 2).

Рис. 2. Влияние интенсивности нарастания частоты на поведение угла Sil 1 - при f1 = 18 Гц/с; 2 -при f1 = 4 Гц/с; 3 -при f1 = 8,5 Гц/с

Полностью же избежать колебаний ротора в момент трогания не удастся даже по причине проявления эффекта «залипания». В дальнейшем по мере разгона синхронизированного асинхронного двигателя ток ротора можно плавно повышать путём увеличения постоянного напряжения, подаваемого в ротор. Притом по мере роста скорости двигателя интенсивность нарастания целесообразнее повышать [3].

Законы управления. Наиболее простым законом управления является закон постоянства отношения напряжения к частоте U/f=const. Основной недостаток такого закона заключается в уменьшении потока с понижением частоты из-за падения напряжения в первичных активных сопротивлениях двигателя (в действительности к ним добавляются также и сопротивления преобразователя частоты). Отсюда возникает необходимость регулирования напряжения по такому закону, при котором устранялось бы влияние этих сопротивлений на поток двигателя [4]. Таким законом является закон постоянства главного магнитного потока двигателя, который повышает перегрузочную способность.

При управлении электроприводом по данному закону возникает вопрос об оптимальном распределении намагничивающих токов электродвигателя. Возможны различные способы управления, например создание главного магнитного потока только током ротора, однако, поскольку в ста-торной цепи применяется стандартный ПЧ с конденсатором в звене постоянного тока, и данный конденсатор может обеспечить требуемый реактивный ток, то имеет смысл рассмотреть закон управления с распределением составляющих намагничивающих токов между статором и ротором. За ос-

8, рад 3,0-L

1,0 -0,0 --1,0 --

t,c

-3,0

-5,0 х

нову примем закон минимизации электрических потерь в обмотках статора и ротора [5]:

АРм = 3/^1 + 3( 12)2 г2;

д (АРм)

д/

1х

= 0, М=сотХ ^8 =сот1

где АРм - потери в меди статора и ротора; /1х - намагничивающий ток статора.

Момент двигателя можно выразить как

3

М = 2 рп ' ^т ' /т ' /1у .

Токи статора и ротора выражаются через проекции на оси х-у, где ось х направлена по вектору главного магнитного потока:

/12 = /1х2 + /1 у2;

/ 2 = / 2 х 2 + / 2 у 2.

Ток намагничивания

/т = /1х + / 2 х .

Выражая /1, и /2х' через и ¡т и подставив в уравнение потерь, получим выражения для намагничивающих токов, при которых имеет место минимум электрических потерь:

Т = /т • г2 . 7 '= /т • Г1 /1х = Г; 12 х = Г.

(г1 + г2 ) (г1 + г2 )

Структурная схема управления приводом в функции поддержания минимума электрических потерь приведена на рис. 3.

Для того чтобы рационально использовать АД ФР в схеме со стандартным преобразователем частоты, необходимо рационально задействовать роторную обмотку. Для этого в цепь ротора подается переменный ток на сверхнизкой частоте (см. рис.1). Таким образом, статорная обмотка, питается от стандартного преобразователя частоты, а в цепь ротора вводится дополнительный блок синхронизации, обеспечивающий подпитку ротора трехфазным током сверхнизкой частоты, т.е. асинхронный двигатель работает в режиме двойного питания, близком к режиму работы синхронного двигателя [3]. К недостаткам данного способа следует отнести необходимость синхронизации работы ключей ПЧ и Коммутатора, поскольку в момент переключения роторных обмоток происходит "рывок" ротора вперед или назад и машина может выйти из синхронизма. Однако в том случае, если механизм работает в повторно-кратковременном режиме, переключе-

ние обмоток целесообразно производить во время паузы. Другим вариантом решения проблемы неравномерного нагрева ротора является предложенные в [6] способы соединения фазных обмоток статора, которые применимы также и к фазному ротору (таблица, схема 3), однако в этом случае потребуется произвести разборку машины и внутреннюю перекоммутацию.

Рис. 3. Структура системы скалярного управления синхронизированным АЭП

В таблице 1р - действующее значение тока ротора, а 1в - значение тока возбуждения ротора.

Сравнение схем включения фаз ротора

Схема 1 Схема 2 Схема 3

Схема включения фаз ротора | К ,

1р / 1В 0,816 0,707 0,943

Выводы

1. Использование синхронизированного асинхронного электропривода позволяет обеспечить жесткие механические характеристики и высокие энергетические показатели по сравнению с электроприводом на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2. Повышение перегрузочной способности синхронизированного электропривода возможно получить при применении закона управления с постоянством главного магнитного потока.

3. Минимум потерь энергии в рассмотренном электроприводе достигается за счет оптимального распределения намагничивающих токов между обмотками статора и ротора.

Список литературы

1. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины: в 2 ч. Ч.2. Машины переменного тока. М.: Энергия, 1973. 648 с.

2. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. М.: Энергия, 1985.136 с.

3. Соломатин А. А. Синхронизированный асинхронный электропривод: дис. ... канд. тех. наук. Липецк, 2005.

4. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982. 216 с.

5. Поляков В.Н., Шрейнер Р.Т. Экстремальное управление электрическими двигателями; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Р.Т. Шрейнера. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. 420 с.

6. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977. 432 с.

V. Meshheryakov, A. Bashly'kov

Synchronized asynchronous electrical drive

System of synchronized asynchronous electrical drive based on asynchronous slip ring motor with frequency converter connected to stator winding and current commutator connected to rotor winding is considered. The control system realizes minimization of electrical losses at constant main flux. It allows to stable maximal torque of electrical drives with random load curve. Block diagram of suggested system is presented.

Keywords: energy savings, of synchronized asynchronous electrical drive, engine.

Получено 06.07.10