Управление вентильным электроприводом при минимизации потерь Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

вых поворотах пространственно-чувствительной области повышение разрешающей способности датчиков осуществляется за счет использования периодических структур в виде концентрических колец /61.

Заключение

1. Использование максимума нелинейной фазовой характеристики Дср(Д1) позволяет сформировать координату 1г предельного виброперемещения и функцию преобразования соответствующей функции Дирака 8(1 -12).

Управление параметрами датчика позволяет перестраивать предельный уровень виброперемещений.

2. Управление пространственным положением пространственно-чувствительной области датчика позволяет измерять параметры вибрации как в декартовой, так и в полярной системах координат.

3. Повышение разрешающей способности однокоор-динатного датчика возможно при использовании дифракционных решеток, а для двухкоординатного - периодических структур в виде концентрических колец.

Представленные датчики могут быть применены в вибродиагностической аппаратуре промышленного назначения, успешно создаваемой НПЦ «Динамика» (г. Омск) под руководством В.Н. Костюкова. Результаты исследований могут быть полезны сотрудникам отделов метрологии ОКБ имени Баранова, ПО «Полет», НПО «Сибирские приборы и системы», Омского СКБ приборов, преподавателям и аспирантам физических и приборостроительных специальностей ОмГТУ, ОмГУ, ОмИИТ, СибАДИ.

Литература

1. Иванов В.А., Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики,- СПб.: Политехника, 1993. -216 с.

2. Яковлев H.A. Построение лазерных систем для измерения перемещений по трем координатам на основе акустооптического преобразования измерительной информации: Автореф. ... канд. техн. наук: 05.11.16. -М * Мосстэнкин 1992

3. A.c. № 1714359 (СССР) МКИ G 01 В 21/00. Способ определения положения границы объекта. В.И.* Теле-шевский, H.H. Абдикаримов. - Опубл. в Б.И.-1992, № 7.

4. Телешевский В.И., Абдикаримов H.H. Гетеродинный акустооптический сенсор для бесконтактного определения положения границ объектов // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез. докл. 8-й науч.-техн. конф. М.: ВНИИОФИ, 1990,- С. 242.

5. Пеун Е.В., Абдикаримов H.H. Акустооптоэлектрон-ный сенсор для измерения смещений границы объеста с фазовым выходом // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. 4-й науч.-техн. конф.- М.: МГТУ, 1997.- С. 208.

6. Преснухин Л.Н., Майоров С.А., Меськин И.В. Фотоэлектрические преобразователи информации / Под ред. Л.Н. Преснухина. - М.: Машиностроение, 1974,- 376 с.

24.12.98 г.

ЛЕУН Евгений Владимирович - кандидат технических наук, доцент, докторант Московского государственного технологического университета.

УДК 62-523-83

УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПРИ МИНИМИЗАЦИИ ПОТЕРЬ

В. 3. Ковалев, Д. В. Поляков

Вентильный электропривод (ВЭП) является наиболее перспективным типом электропривода для турбомеханизмов, для которых по технологическим условиям необходимо регулирование производительности в процессе их функционирования. Применение регулируемого электропривода для таких механизмов позволяет снизить потери энергии на 10-20%. ВЭП турбомеханизмов преимущественно строится на базе преобразователя частоты (ПЧ) с зависимым инвертором тока (ЗИТ). Это позволяет решить проблему коммутации вентилей ПЧ большой мощности при минимально возможном количестве полупроводниковых приборов и конденсаторно-реакторного оборудования в силовых цепях ВЭП при хороших энергетических и динамических показателях. Разработанные и реализованные в современных системах автоматического регулирования (САР) ВЭП законы регулирования координат электроприводов обеспечивают удовлетворительные показатели ВЭП в целом, в том числе и энергетические. Целью данной работы является разработка на основе модели и реальных ограничений ВЭП такого оптимального закона регулирования координат ВЭП центробежного насоса, при котором суммарные потери электроэнергии в электроприводе будут минимальными.

Поставленная в данной статье задача оптимизации формулируется следующим образом: для математической модели синхронной неявнополюсной машины с учетом насыщения по основному магнитному потоку и выполнении обязательных требований к электроприводу - требований к моменту и скорости изменения момента в различных режимах, а также при учете ограничений, накладываемых параметрами ПЧ и возбудителя найти относительный экстремум (минимум) суммарных потерь мощности в синхронном двигателе, преобразователе частоты и возбудителе:

M=hq 'УМ ~hd 'Wsq =VS COSÖ-i^ --y/s sinS-i^ +y/s s\n9 ifd

(3)

(ab -ä)-J(/^ - У

+ +

w\

kv-ifd}-

c4 =0

(4)

в соответствии с условиями минимума потерь:

/-ft. о

(1)

(2)

/з =

дЭ

адр

при ограничениях, накладываемых на переменные состояния синхронного двигателя:

Здесь ¡б - действующее значение тока якоря, ¡Иэ - ток возбуждения; коэффициенты г8э, д(ю) учитывают основные и добавочные потери, зависящие соответственно от тока якоря и основного потока [1]. При этом коэффициент д(ш) потерь, зависящих от потока, представляет собой функцию скорости (частоты): g(a)) = aг(o + amlco2, где аг и овг - коэффициенты потерь на гистерезис и вихревые токи. Эквивалентные сопротивления цепей якоря и возбуждения учитывают как потери в обмотках машины (Гер. ги), так и потери в цепях преобразователей (Гпр, г«*). гп=гч> + ; Г/<Ь = + гер Модуль основного потокосце-

пления Уб. угол 6 между осью <3 и вектором \|/б и ток ро-

тора ifd - переменные состояния, полностью характеризующие энергетический режим СД. Коэффициенты, зависящие от параметров синхронной машины и угла управления ЗИТ:

а= 2 ; Ь = (хх -xs)-cos

■ j я о

Первое ограничение на переменные 3 и i« связано с тем, что задача должна иметь только одно решение для каждого определенного заданного момента. Второе ограничение связано с условиями коммутационной устойчивости инвертора тока. Оно было получено в результате анализа условия устойчивой работы ЗИТ при достаточном запасе по углу управления [2] и векторных диаграмм СД при питании от ЗИТ.

Поставленная задача оптимизации решается на основе вариационных принципов Лагранжа, которые приводят к следующей системе уравнений:

di

fd

di

fd

д<Рг di

= 0;

fd

^ = 0:

dAP . dtpy .

-+ A—■— + Л,

d9 d9 ^ d9

dy/s dys dy/g

(5)

<рх =4>а -соб^ч'^ -ц/5 ■ вш 5 • + ц/а -вт^ М =0;

<р2 = (аЬ-¡/и] + 'I, + + а ■ = 0,

где АР = г^ -+ + )% + Г>Л + Я^!5

, А-2 - неопределенные множители Лагранжа.

Учитывая насыщение по основному потоку синхронной неявнополюсной машины по методике [3] будем иметь следующие соотношения:

АР = г„(о>г +4>а-)г -2г„(®У4 +4>;)со8 +

Ч>\ = ¥6 «¡П Э^р - М , (6)

+ ¡fd -м -vi;

я =

d -ab

1 + с

■Í—т

{d-ab J

Получив выражения для частных производных

dAP

di

dAP dAP d<px

d9

d<P\ d9

d<P\ dq>2 dtp 2 d<p2

fd

из

дУв 39 ¿Ч/б

уравнений системы (6), и, подставив полученные выражения в систему (5), получим полную систему уравнений (7), описывающих оптимальный по потреблению электроэнергии режим работы СД с учетом насыщения.

d9 dy/s

= 0;

(7)

2(Гп + rfh) ■ 'ft ~ ("'Ví + Vi)cos9 + А, -у/e sin9 + + Aj -2ij¡, -2A2(dV¿ +4Vj)cosíl = 0; 2r„^n9 ijj{a'4fs + 4>j)+A, v6co%3 ¡/<( + + Aj ■ 2(a>й + 4>¿)sin,9-ip = 0;

r„(2e'V, + 2fl'4'(n + iv; +2n4'Vj""')-

- 2a'r„ eos 9 ■ iju + 2g(ú>)y/s - 2nb'r„ eos 9 ■ + + A, sin +Aj[2íj'Ví +2o'fc'(n + l)v¿']-

Í2a'ijj •cos5-2n4'VI""' + 2A'n ■ eos 9 ■ i¿¡y/^'1 +

2 , L+ ^fVe

sin 9 ■ if¡ - M = 0; ("Vi +4>j)J -2(°Ví +*>i)eosá-i/rf -

- =0;

/'_(í/-aé) /(' + C {«/-ai) ' ^ = -2r„(a>f +¿>V^)cosí'-/ja +

+ ('„ + »>)']/

g(<u)=ar<a + o„<»2; A/ = 0.07 + <u2;

i, = iJfa'Vs b'Vif - 2(aVí + A' )cos,S' 'ja + 'ja i Vf,< =¥e cos 9 + xfia

В результате решения системы уравнений (7) на ЭВМ получены характеристики СД с параметрами по табл. 1 и с запасом по углу коммутации, равным 3° в режиме минимизации потерь. Характеристики приведены на рис. 1-5 совместно с характеристиками СД при питании от ЗИТ в режиме при 4^=1 (при постоянстве проекции вектора основного потокосцепления на ось, ортогональную оси вектора тока статора СД). Этот режим разработан и реализован в современных САР ВЭП на базе ЗИТ из условий достаточно высоких энергетических показателей.

Таблица 1. Усредненные параметры неявнополюс-ного СД без демпферной клетки. Аппроксимация характеристики намагничивания: i = a'y/ + b'y/"; все парамет-

Параметр Обозначение Значение

Индуктивность:

Рассеяния якоря х» 0.1

Рассеяния продольной обмот- Хюо 0.15

ки возбуждения

Взаимная индуктивность:

Продольная ненасыщенная Xmd 1.0

Поперечная ненасыщенная Xmq 1.0

Сопротивление:

Якоря эквивалентное г» 0.02

Обмотки возбуждения эквива- ffda 0.01

лентное

Коэффициенты:

Характеристики намагничива- а' 1.0

ния

Ь' 0.25

п 13.0

Потерь в стали аг 0.02

а ,т 0.02

Как видно из анализа полученных характеристик, мощность эквивалентных потерь при переходе к режимам с минимизацией потерь значительно снижается (рис. 1). В номинальном режиме (при М = 1) это снижение равно 26,5%. Ток возбуждения в режимах с минимизацией потерь существенно уменьшен (рис. 2), а ток якоря незначительно увеличен (рис. 3). При этом важное значение имеет перераспределение потерь, а именно резкое уменьшение потерь в обмотке возбужде-

ния - наиболее напряженной по нагреву части СД, которые снижаются почти в 2.5 раза. Угол 3 при переходе к зоне больших моментов в режиме с минимизацией потерь резко уменьшается (рис. 4), поскольку повышено значение потока. В этой зоне при увеличении момента растут главным образом потери в меди.

Рис.4

Рис.5

В режимах, оптимальных по потерям, как и в режиме при ч/«х=1> нет ограничений по перегрузочной способности, обусловленных электрическими параметрами СД. Однако энергия основного магнитного поля сильно изменяется при переходе от малого к большому моменту (рис. 5). Это может создать непреодолимые трудности в реализации режимов для высокодинамичных низкочастотных СД - невозможно обеспечить нужную кратность напряжения возбудителя, которая может достигать 200н-300-кратного значения. Поэтому для таких СД в области малых моментов необходимо формировать специальную функцию \у6(М, со) с отступлением от оптимальных соотношений. Поскольку здесь потери очень малы, такое отступление не приведет к заметному ущербу. Невысокие динамические требования к высокоскоростным СД турбомеханизмов, как показывают исследования, позволяют реализовать оптимальные режимы во всем диапазоне регулирования. Переход к режимам с минимизацией потерь от разработанных и реализуемых в настоящее время режимов повысит экономичность, улучшит использование СД и электропривода в целом, позволит снизить габаритную мощность возбудителя.

В результате решения задачи оптимизации в САР ВЭП можно сформировать координаты v|/6, 3 и i«j, обеспечивающие оптимальный по потерям режим работы ВЭП при любой заданной скорости вращения и соответствующем ей моменте.

Литература

1. Вольдек А. И. Электрические машины. М.: Энергия, 1974.

2. Толстое Ю. Г. Автономные инверторы тока. - М.: Энергия, 1978.

3. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

3.02.99 г.

КОВАЛЕВ Владимир Захарович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета.

ПОЛЯКОВ Данил Валерьевич - ассистент кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета.

m

НО 70 60

50 40 30 20 IO О