CC BY
10
БОТ: 10.15587/2312-8372.2018.144612
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТ1 ПЕРЕХ1ДНИХ ПРОЦЕС1В В ЕЛЕКТРОПРИВОДАХ НА БАЗ1 АСИНХРОННИХ ДВИГУН1В П1Д ЧАС РОЗГОНУ
Островерхов М. Я., Реуцький М. О., Тршчук Д. Я.
1. Вступ
Електродвигуни вiдомi сво!м дуже високим ККД (80-90 %) порiвняно з шшими можливими приводними механiзмами. Але варто зазначити, що така цифра справедлива лише для усталено! роботи в номшальних режимах, пiд час перехщних процесiв же втрати суттево зростають. Одним з найбiльш витратних процешв е розгiн: для виходу на необхiдну швидкiсть двигуну варто забезпечи-ти пiдвищений момент, що призводить до зростання струму ^ вщповщно, квадратичного збiльшення електричних втрат. Особливо це важливо для приводiв, якi працюють в повторно-короткочасному режиMi ^обо^и, тобто з частими зу-пинками та пусками. До таких механiзмiв вiдносяться, наприклад, електромобь лi або гiбриднi автомобiлi, енергоефективнють яких е одним з !хшх ключових показникiв. Це пiдтверджуе актуальшсть дано! роботи.
2. Об'ект досл1дження та його технологiчний аудит
Об'ектом дослгдження е електропривщ на базi асинхронного двигуна (АД) з короткозамкненим ротором (рис. 1), який працюе у режимах частих пус-юв та зупинок. Цей привiд складаеться з:
- джерела живлення (и~), яке подае електричну енергiю;
- перетворювача електрично! енергл (ПЕЕ), який за рахунок перетворення енергп та керування напругою на виходi визначае режим роботи електропривода;
- електромехашчного перетворювача енергп, яким е АД;
- навантаження (Н).
ПЕЕ
Рис. 1. Схема електроприводу на базi асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором: и— джерело живлення, ПЕЕ - перетворювач електрично! енергп, АД - асинхронний двигун з короткозамкненим ротором, Н - навантаження
Шд час перехщних процесiв розгону навантаження е збiльшеним, електро-рушiйна сила (ЕРС), спрямована проти струму (протиЕРС), яку створюе магнь тне поле двигуна, - зменшеною, а тому струми в електричному колi сильно зростають. Втрати на нагрiвання обмоток двигуна ж ростуть пропорцшно до квадрату цих струмiв, а значить i ККД такого електропривода сильно падае тд час перехiдних процешв.
Одним iз проблемних мiсць такого електроприводу е значне споживання енергп при перехiдних процесах, зокрема тд час розгону двигуна. За рахунок високих пускових струмiв багато спожито! енергii втрачаеться на нагрiвання обмоток двигуна. Для того, аби зменшити втрати при розгот необхiдно змен-шити пусковий струм, що можна досягти штучним збiльшенням часу перехщ-ного процесу. Однак, якщо ж розгш триватиме занадто довго, то це призведе до збшьшення витрат енергп на подолання статичного моменту та зростання сума-рних статичних втрат двигуна. Значить, мае бути певна оптимальна точка: час розгону, при якому буде спожита мтмальна енерпя.
3. Мета та задачi дослщження
Метою даного дослгдження е пошук те! оптимально! точки - часу розгону, визначеного керуючим пристроем, за якого буде спожита найменша кшь-кiсть енергii. Для досягнення поставлено! мети необхщно:
1. Створити математичну та комп'ютерну моделi електропривода зi системою керування, яка задаватиме рiзний час розгону.
2. Експериментально пiдтвердити описану проблему.
3. Провести чисельт розрахунки, за допомогою яких i можна буде визна-чити оптимальний час розгону та переконатись, що у такий спошб можна пок-ращити енергоефективтсть електропривода.
4. Дослiдження iснуючих р1шень проблеми
Дослiдження енергоефективностi пускiв електричних двигунiв проводили-ся i ратше. Пiдвищенi втрати пiд час пуску були продемонстроваш в роботi [1], щоправда там розглядався реактивний синхронний двигун. 1де! покращених пу-сюв з меншими втратами були запропоноваш в роботах [2, 3], але також лише для синхронних двигутв.
Дослiдження ж [4] показують, що для режимiв частих стартiв та зупинок, на-приклад, в електромобтях, найефективнiшим двигуном е саме асинхронний двигун (АД). Але навiть вибравши для застосування АД, енергоефективнiсть пусюв все ще може бути покращена. Для таких дослiджень можна використовувати методи, за-пропонованi в [5, 6]. Автори цих робгг добре дослщжують пуски АД, щоправда не приходять до висновку, яким же чином покращити енергоефективнiсть.
Втрати в АД при пуску зменшуються шляхом зниження пускового струму. Це показано в роботах [7, 8]. Але зменшення пускового струму призводитиме i до зменшення пускового моменту, а значить, i до збшьшення тривалост розгону [9]. Отже, необхiдно знайти певну оптимальну точку для величини пускового струму. Прикладом такого повного до^дження е робота [10], в якш чггко дана вiдповiдь на питання: яким же чином роз^нати АД до номiнальноi швидкостi з найменши-
ми втратами. Сдиною проблемою цього дослщження е те, що для реашзацп пред-ставленого метода необхiднi складш системи керування двигуном на базi нечггко! логiки, що може бути дорогим для загального впровадження.
Таким чином, питання знаходження простого методу контролю енергоефек-тивного пуску АД, яке до^джуеться в данiй робот^ залишаеться перспективним.
5. Методи дослщжень
В перехiдному режимi струми, що протшають в обмотцi статора асинхронного двигуна (АД), суттево перевищують номшальш значення i викликають пь двищенi втрати енергп, а вщповщно i перегрiв двигуна. Найбiльшi втрати видь ляються в АД, як працюють в режимi частих пусюв. Розрахунок пуску АД включае в себе визначення залежност швидкостi обертання вщ часу протягом розгону, визначення його тривалост i втрат енергп в статорi та роторi за час переходного процесу. Загальний момент на валу двигуна можна представити у виглядi суми статичного та динамiчного момен^в:
М=МС + М . (1)
де Мс - статичний момент - це сума корисного моменту навантаження та моменту опору; Мдин - динамiчний момент, який визначаеться за формулою:
M (2)
дин г V V /
2
де J - приведений момент шерцп системи АД - виконавчий мехашзм, Н-м-с ; т2 - кутова швидкiсть обертання ротора, рад/с.
Час розгону електродвигуна визначаеться електромехашчними процесами, оскшьки електромагштш перехiднi процеси, що вiдбуваються в двигуш, мають значно меншу сталу часу. Значення електромехашчно! стало! часу тм визначаеться з умови розгону двигуна при статичному момент на валу двигуна Мс=0. Тривалють пуску електродвигуна визначаеться за формулою:
т2роб ^^
$ ^(м*-^.)' (3)
п
де М=М/Мн i Мсп*=Мт/Мн - вiдноснi значення елекгромагштного i статичного моменпв;
Мн - номшальний момент двигуна;
ы2роб - значення кутово! швидкостi обертання ротора, при якш перехiдний процес розгону вважаеться завершеним (приймемо його як 0,95 вщ номшально! частоти обертання ротора).
Враховуючи велик значення пускових струмiв, пiд час розгону двигуна статичними втратами (магштними та мехашчними) можна знехтувати, а тому загальш втрати визначатимуться як сума втрат в обмотках ротора та статора:
о
де Рел2 - електричш втрати на активному опорi обмотки ротора, Вт; Рел2 - елект-ричнi втрати на активному опорi обмотки статора.
Втрати енергп в роторi за ввесь перюд розгону 1п вiд ^=1 до номшального значення 8н визначаються за формулою [1]:
Перший член рiвняння визначае втрати енергп, обумовлеш дiею прикладеного до валу двигуна динашчного моменту, а другий - статичного, для визначення якого необхiдно знати мехашчш характеристики двигуна i виконавчого мехатзму. Втрати енергii в обмотщ статора за час розгону:
де Я1 i - активний отр обмотки статора i приведений отр обмотки ротора.
6. Результати досл1дження
Найбтьш розповсюдженим способом пуску АД мало! i середньо! потужност е прямий пуск. Це обумовлено його простотою. Були проведет дослщження динамь ки такого пуску на спетально виготовленому дослiдницькому стендi за допомогою системи тестування електроприводiв змшного струму (СТЕП). Ця система дозволяе отримати електричнi параметри струму i напруги однiеi фази двигуна i частоту обе-ртання валу ротора в функцп часу з дискреттстю 8 мс.
Для дослiдження був обраний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором марки MS9024 (Ггаия), номшальною потужнiстю 1,5 кВт, номiналь-ною частотою обертання ротора 1390 об/хв. Залежносп струму, моменту, час-тоти обертання вщ часу при прямому пуску наведет на рис. 2.
За умови вщсутносп навантаження на валу ударт значення струму i моменту досягають 16,5 А i 20 Н-м вiдповiдно. Час розгону складае 0,13 с.
В середовищi Matlab Simulink була розроблена модель пристрою плавного пуску (111111), який забезпечуе лшшне наростання напруги кола обмотки статора АД вщ нуля до номшального значення. За рахунок цього зменшуються мехашчш навантаження на двигун i виконавчий мехашзм, а також пусковi струми та втрати в обмотках. Модель представлена на рис. 3.
2
1 (
\
(5)
(6)
Рис. 2. Експериментальш залежност моменту М, струму I та частоти ш обертання ротора вiд часу ? при прямому пуску асинхронного двигуна
Рис. 3. Модель електроприводу на база асинхронного двигуна (АД) з короткозамкненим ротором разом iз пристроем плавного пуску (ППП) в середовиш! Matlab Simulink: 1 - три-фазне джерело живлення АД, що регулюеться ППП; 2 - блоки завдання ППП; 3 - блок ви-мiрювання напруг та струмв кола статора АД; 4 - модель АД з короткозамкненим ротором; 5 - блок розрахунку статичного моменту навантаження на АД, що моделюе вентиля-торний характер навантаження, при якому момент на валу пропорцшний квадрату частоти обертання, а також при номшальнш частот обертання до валу прикладене номшальне навантаження; 6-9 - блоки вимру електричних та мехашчних параметрив приводу
Дослщження енергоощадних режимш пуску АД типу MS9024 потужнiстю 1,5 кВт, Цф=220 В, п2н=1390 об/хв було проведено для навантажень на валу Мнх; 0,25Мн; 0,5Мн; 0,75Мн; Мн вентиляторного типу. Час наростання напруги на обмотщ статора складав 0; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 2 с, напруга наростала вщ 0 до 220 В.
Анашз бтьше 160 пускових режимiв АД дав можливють побудувати залежностi спожито! енергп вщ часу наростання напруги на обмотщ статора АД (рис. 4).
Велика кшьюсть спожито! енергп при прямому пуску обумовлена великими втратами, пропорцшним квадрату величини пускового струму. Подальше збшьшення часу наростання напруги зменшуе величину пускового струму i пе-вною мiрою обмежуе втрати енергп до часу збшьшення напруги 0,3 с. Зростан-ня часу наростання напруги живлення бшьше 0,3 с призводить до збшьшення втрат енергп за рахунок зростання часу розгону.
о н
т
"С а и
к
<и
а
*
о с о
6000
5500
5000
4500
4000
>
г
—»
- - - — Г" — — — — — — —
- £ < ^
- г_ - Л 1= __ — — — — —
л / ь,_ т / о
£ 7~ 2 —.
^ £ и г
1/ ■ \1 Г
\
V
_ _ _ _ _ _ _ _ _
Момент наванта-ження
Мхх
0.25Мн
0.5Мн
0.75Мн
Мн
0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 1,11,21,31,41,51,61,71,81,9 2
Час наростання напруги [с]
Рис. 4. Залежшсть спожито! електроприводом енергп вщ встановленого часу наростання напруги для рiзних значень моменту навантаження при номiнальнiй швидкост
Отже, як i було передбачено, юнуе точка оптимального часу розгону дви-гуна. Цей час для даного двигуна - 0,3 с - обумовлений власними характеристиками двигуна i бшьшою м!рою його маховим моментом, який практично не залежить вщ маси приводного мехашзму. Для шших привод!в з бшьшою масою обертових частин цей час буде збшьшуватись.
^
л н о
о и о К (Р а
£ Й
Р "ч с
24 22 20 18 16 14 12 10
Момент навантаження
- Мхх 0.25Mн 0.5Mн 0.75Мн Мн
0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 1,1 1,21,3 1,41,51,61,71,81,9 2 Час наростання напруги [с]
а
£
н е
о г о
н р
а £
а
5 'ч
п
42 37 32 27 22 17
^ 12
7
Момент навантаження
Мхх
0.25Мн
0.5Мн
0.75Мн
Мн
0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 1,11,21,31,41,51,61,71,81,9 2 Час наростання напруги [с]
б
Рис. 5. Залежнють: а - ударних струму, б - моменту асинхронного двигуна в1д
встановленого часу наростання напруги
Варто зазначити, що цей час розгону може бути не оптимальним з точки зору ударного моменту. При вивченш пускових характеристик шших виконав-чих мехашзм1в необхщно враховувати цей фактор. При вибор1 часу пуску необ-хщно враховувати особливост роботи конкретного мехашзму, а також величи-ни ударних струм1в та моменлв. На рис. 5 показана залежнють ударних струму та моменту в1д встановленого часу наростання напруги.
7. SWOT-аналiз результант дослiджень
Strengths. Даш до^дження показують, що за рахунок використання сис-теми плавного пуску та невеликому збшьшенш часу розгону двигуна можна покращити енергоефективнiсть електропривода, а значить, зменшити спожи-вання електроенергп та зменшити витрати на охолодження. Визначена тд час дослщжень особливiсть показуе, що точка оптимуму для часу розгону двигуна залежить виключно вiд параметрiв системи двигун - приводний мехашзм i не залежить вiд навантаження. Це значить, що пристрш плавного пуску може бути попередньо налаштований виробником електропривода i не потребуватиме жо-дних додаткових дш вiд його оператора. Також, пристрш плавного пуску е до-волi простим для виготовлення та застосування.
Weaknesses. В точщ оптимального споживання електроенергii пусковий момент на валу двигуна е дещо занижений. Це може призвести до неможливос-и пуску електропривода при пiдвищених навантаженнях (наприклад, екскава-торному). Тим не менше, дослiдження показали, що зменшення споживання енергii можливе i при менш суттевому пониженнi пускового моменту, хоч i не настiльки ефективне.
Opportunities. Даш дослщження були проведет для найбiльш розповсю-дженого для подiбних електроприводiв вентиляторноi характеристики навантаження. Тим не менше, iншi характеристики (як, наприклад, згадана вище екс-каваторна) також заслуговують уваги. О^м того, запропонований пристрiй плавного пуску дозволяе отримати лише лшшне наростання напруги з метою забезпечення його простоти. Дослщження шших кривих наростання також е щкавим i перспективним.
Threats. Не зважаючи на продемонстроване покращення енергоефективно-стi, економiчного обгрунтування доцiльностi використання пристрою плавного пуску не було проведено. I хоча вш був створений максимально простим, а еле-ктрошка на сьогодшшнш день не е дорогою, його рентабельшсть поки що не доведена. О^м того, iснують бшьш складнi системи [10], якi виконують дану функцiю. I хоча запропонована в дослiдженнях система е значно простшою, вона може бути не такою ефективною.
8. Виснот ки
1. В ходi даноi роботи були проведеш дослщження енергоефективностi режимiв пуску АД з короткозамкненим ротором. Була створена математична модель такого приводу, а також розроблена в програмному пакет Matlab Simulink його комп'ютерна модель. Також в цьому програмному пакет розроб-лений пристрiй плавного пуску, який дозволяе лшшно збшьшувати напругу навантаження вiд нуля до номшального значення за встановлений завданням час.
2. Проведенi експериментальш дослiдження показали суттевi недолiки часто використовуваного режиму прямого пуску. До них вщносяться шдвищеш пусковi струми двигуна i, як наслiдок, значно збшьшеш втрати енергii.
3. У створенш комп'ютернiй моделi були проведеш дослщження, яю вка-зали на пряму залежшсть спожитоi приводом тд час розгону енергii вiд часу наростання напруги. 1з цих залежностей визначений оптимальний час нарос-
тання напруги для двигуна, який дослщжувався, який склав 0,3 с незалежно вщ величини прикладеного навантаження.
Результати цього дослщження можуть мати практичне застосування в ме-ханiзмах, як працюють в режимах частих пусюв. Використовуючи пристрiй плавного пуску, налаштований на конкретний електропривiд, можливо заоща-дити спожиту пiд час розгону енергш.
Лiтература
1. Analysis of the starting transient of a synchronous reluctance motor for diiect-on-line applications / Castagnini A. et al. // 2015 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). Coeur d'Alene. 2015. P. 121-126. doi: http://doi.org/10.1109/iemdc.2015.7409047
2. A new starting method for 12/8-pole doubly salient permanent-magnet motors without position sensor / Du J. et. al. // 2011 International Conference on Electrical Machines and Systems. Beijing, 2011. P. 1-5. doi: http://doi.org/10.1109/icems.2011.6073672
3. Shehata E. G. Design tradeoffs between starting and steady state performances of line-started interior permanent magnet synchronous motor // 7th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2014). 2014. P. 1-6. doi: http://doi.org/10.1049/cp.2014.0281
4. Rahman K. M., Ehsani M. Performance analysis of electric motor drives for electric and hybrid electric vehicle applications // Power Electronics in Transportation. Dearborn. 1996. P. 49-56. doi: http://doi.org/10.1109/pet.1996.565909
5. Analytical method for starting performance calculation of induction motors considering skin effect and leakage flux saturation / Run-hao P. et. al. // 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). Hangzhou, 2014. P. 135-138. doi: http://doi.org/10.1109/icems.2014.7013452
6. A study of starting methods for an induction motor using an arbitrary waveform generator / Banerjee A. et. al. // 2015 International Conference on Advances in Electrical Engineering (ICAEE). Dhaka, 2015. P. 34-37. doi: http://doi.org/10.1109/icaee.2015.7506790
7. Habyarimana M., Dorrell D. G. Methods to reduce the starting current of an induction motor // 2017 IKKK International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (ICPCSI). Chennai, 2017. P. 34-38. doi: http://doi.org/10.1109/icpcsi.2017.8392319
8. Li X., Xu J., Zhang H. Research on torque ramp current limit starting of induction motor based on dsPIC30F6014 // 2017 IEEE 2nd Information Technology, Networking, Electronic and Automation Control Conference (ITNEC). Chengdu, 2017. P. 16271630. doi: http://doi.org/10.1109/itnec.2017.8285069
9. The torque oscillation study in the motor soft starting process with discrete variable frequency method / Hu H.-M. et. al. // 2008 International Conference on Electrical Machines and Systems. 2008. P. 1686-1690.
10. Nafeesa K., George S. Starting performance analysis of fuzzy logic based smart motor controller driven induction motor // 2011 International Conference on Energy, Automation and Signal. Bhubaneswar. 2011. P. 1-5. doi: http://doi.org/10.1109/iceas.2011.6147099
