Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы энергосбережения в сельском хозяйстве 17
1.1. Современное состояние 17
1.2. Электропотребление и анализ энергосбережения в АПК 24
1.3. Цель и задачи исследования 32
Глава 2. Теоретические исследования векторного управления асинхронными электроприводами в АПК 34
2.1. Математические модели АД 34
2.2. Математическая модель преобразователя частоты ї45
2.3. Особенности построения и реализации систем векторного управления АД 49
2.4. Управляющие воздействия в каналах управления АД 53
2.5. Ограничение вектора управлений по модулю в САУ скоростью АД 59
2.5.1. Области допустимых управлений 59
2.5.2. Ограничение вектора токов статора в асинхронном ЭП 61
5.2.1. Блоки ограничения модуля вектора токов статора 70
2.6. Выводы по 2 главе 74
Глава 3. Методика проведения экспериментального исследования 75
3.1. Методика проведения натурного эксперимента 75
3.2. Моделирование статического режима асинхронного электропривода 79
3.3. Моделирование динамического режима асинхронного электропривода 92
3.4. Выводы по третьей главе 98
Глава 4. Технико-экономическая оценка применения векторного управления асинхронными электро приводами в АПК 99
4.1. Взаимосвязь технологических и энергетических режимов работы насосной установки
4.2. Технико-экономическая оценка эффективности применения векторного управления асинхронным ЭП 105
4.3. Выводы по главе 4 112
Заключение 113
Литература 115
Приложение 128
- Электропотребление и анализ энергосбережения в АПК
- Особенности построения и реализации систем векторного управления АД
- Моделирование статического режима асинхронного электропривода
- Технико-экономическая оценка эффективности применения векторного управления асинхронным ЭП
Введение к работе
Возрастающие требования к показателям качества производственных процессов и производительности труда обуславливают в последнее время устойчивую тенденцию широкого внедрения регулируемых электроприводов (ЭП) в различных отраслях народного хозяйства. Развитие математической теории машин переменного тока и автоматического управления, совершенствование силовых полупроводниковых приборов, использование микропроцессорных средств управления позволило создать высококачественные глу-бокорегулируемые ЭП на базе электромеханических преобразователей переменного тока.
Эффективность работы регулируемого ЭП переменного тока в составе того или иного технологического комплекса или системы во многом определяется возможностями источника питания. Наиболее перспективными из них являются полупроводниковые преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения [10,28], которые позволяют удовлетворять самым высоким требованиям по диапазону и качеству регулирования скорости. Данный тип силового преобразователя, как правило, включает в себя неуправляемый выпрямитель, фильтр, автономный инвертор, цепь «слива» энергии рекуперативного торможения и дает возможность реализовать на его основе ЭП с различными типами приводных двигателей [69,93].
Появление в начале 90-х годов 20-го столетия высокочастотных биполярных транзисторов с МОП-управлением Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) [40,69] дало возможность с помощью прямого разрывного управления [8] или широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного напряжения [23,113] организовывать быстродействующие системы «преобразователь частоты - двигатель переменного тока» с низкими массогабаритными показателями.
Наиболее массовым среди всех двигателей переменного тока для диапазона малых и средних мощностей в настоящее время остается трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД), который работает на предприятиях различных отраслей народного хозяйства и основным является в сельскохозяйственном производстве [1,94,102]. Такой приоритет АД в регулируемом ЭП переменного тока связан с высокой надежностью данного типа электрических машин. Отсутствие щеточно-коллекторного узла, контактных колец и постоянных магнитов обуславливает эксплуатационные преимущества АД над синхронными двигателями различного возбуждения и машинами постоянного тока. Так, например, средняя наработка на отказ у АД составляет 30 лет, в то время как у двигателя постоянного тока - около 10 лет [50]. Кроме того, к достоинствам АД можно отнести простоту конструкции, малые габариты и момент инерции ротора, отсутствие коммутационных ограничений по скорости и току и т.д. [1,61,82,114].
Асинхронный ЭП общего назначения, в котором, как правило, не требуется обеспечения высоких механических и энергетических характеристик в широком диапазоне изменения скорости и момента нагрузки, строится на основе фазового [23,49,106] или частотного [14,78,82,104] управления АД. Последний способ является более экономичным и пригодным для длительного глубокого регулирования скорости. Он заключается в одновременном изменении амплитуды и частоты подводимого к статору напряжения в соответствии с выбранным ранее законом при стабилизации магнитного состояния асинхронной машины и реализуется в рамках принципов как управления по отклонению, так и по возмущению. При этом, как отмечается в [82,104], в частотном управлении целесообразно отказаться от поддержания на постоянном уровне некоторой магнитной переменной и осуществлять регулирование скорости за счет изменения абсолютного скольжения. Такие частотно-регулируемые асинхронные ЭП обеспечивают удовлетворительные динамические и энергетические характеристики во всем диапазоне скоростей, кото- рые в то же время уступают показателям регулируемого ЭП постоянного тока.
Ранее, несмотря на достаточно развитую теорию частотного управления АД, большой вклад в которую внесли такие отечественные исследователи как Костенко М.П., Булгаков А.А., Сабинин Ю.А., Дацковский Л.Х., Слежа-новский О.В., Рудаков В.В., частотно-регулируемый асинхронный ЭП, как правило, внедрялся в областях, где было недопустимым применение двигателей постоянного тока из условий безопасной работы, либо при модернизации нерегулируемого ЭП. Широкое внедрение АД в системах автоматического управления (САУ) скоростью сдерживалось низкими динамическими характеристиками тиристорных преобразователей частоты, а также собственными свойствами объекта, которые проявлялись в пульсациях электромагнитного момента, дрейфе параметров, ухудшении условий охлаждения на малых частотах вращения. Влияния данных недостатков на качество регулирования скорости удавалось избежать путем доработки АД общепромышленной серии специально для частотно-регулируемого ЭП, которая заключалась в независимой вентиляции, размещении в случае необходимости датчиков механического движения, согласовании напряжений обмоток статора и источника питания, либо путем специального конструирования асинхронных машин с учетом изменяемой в процессе эксплуатации частоты питания [17,61,86].
Использование пространственных векторов для описания протекающих в электромеханических преобразователях переменного тока физических процессов дало дальнейший толчок в развитии теории управления АД. Достоинством данного способа представления асинхронной машины по сравнению, например, со схемами замещения различной конфигурации, является отход от параметрического управления и возможность привлечения различных методов синтеза линейных и нелинейных систем.
Анализ статических и динамических режимов работы электрических машин переменного тока с помощью мгновенных значений пространствен- ных векторов позволяет в отличие от математических моделей АД, полученных путем линеаризации дифференциальных уравнений для малых отклонений, проводить исследование переходных процессов, сопровождаемых существенным изменением относительно точки равновесного состояния. Благодаря векторной форме и применению синхронно-вращающихся систем координат удалось представить АД по аналогии с двигателем постоянного тока как двухканальный нелинейный объект управления. Кроме того, рассмотрение асинхронной машины во временной области на основе метода пространства состояний, векторного анализа и матричного исчисления [8,112] позволило записать математическую модель АД в более компактном виде и систематизировать данный подход в соответствии с принятыми в современной теории автоматического управления требованиями.
Математический аппарат преобразования координат с использованием вращающихся ортогональных систем позволил представлять векторы синусоидально изменяющихся во времени переменных АД в векторы постоянных величин, в результате чего упростился анализ и синтез систем управления асинхронным ЭП. Кроме того, за счет привязки двумерной плоскости к опорному (ориентирующему) вектору удается исключить из дальнейшего рассмотрения поперечную составляющую опорного вектора.
Другим способом математического описания статических и динамических режимов работы электрических машин переменного тока стало представление реальных величин объекта управления в виде спиральных векторов, которые являются экспоненциальными функциями времени с комплексным аргументом. Благодаря функциональной временной зависимости спиральные векторы, в отличие от статических пространственных векторов, более адекватно характеризуют переходные процессы [109,110]. На основании спирально-векторной теории S. Yamamura предложил метод ускорения поля (потока) [17,112,115], который позволяет осуществлять синтез систем управления асинхронным ЭП с высокими динамическими характеристиками.
Благодаря векторному анализу режимов работы АД были сформулированы принципы частотно-токового [13, 61, 17] и векторного [13, 62, 67, 77] управлений. Так, основываясь на ориентировании ортогональной вращающейся системы координат АД по вектору потокосцеплений ротора, в 1971 году F. Blaschke разработал замкнутую многоконтурную САУ скоростью АД с подчиненной структурой и последовательной коррекцией под названием «Transvektor» [87], которая обеспечивала высокое качество переходных процессов по скорости и функционировала в режимах разделения во времени процессов намагничивания и пуска.
Синтез систем векторного управления АД базируется на теории многоконтурных замкнутых систем подчиненного регулирования применительно к многоканальным взаимосвязным нелинейным объектам, какими и являются электромеханические преобразователи переменного тока. Суть векторного управления заключается в контроле мгновенных значений модуля и пространственного положения управляющего и опорного векторов на двумерной плоскости [27, 77]. Именно в рамках таких систем с жесткими линейными обратными связями по каждой регулируемой координате строятся высококачественные асинхронные ЭП, в которых достигаются глубокие диапазоны регулирования.
В некоторых технологических комплексах и системах требуется обеспечить регулирование частоты вращения с постоянством длительно допустимой или максимальной мощности, которое достигается за счет двухзонного управления приводом. В результате такого подхода к построению САУ в первой зоне регулирования магнитный поток постоянен, а во второй плавно изменяется обратно пропорционально скорости. Реализация таких законов управления координатами механического движения происходит в рамках систем с внешним контуром регулирования э.д.с. и внутренним по отношению к нему контуром регулирования потока, и их быстродействие, как пра- вило, невелико, что объясняется подчиненной структурой канала управления магнитным состоянием АД.
В современном асинхронном ЭП с векторным управлением присутствует тенденция исключения из его структуры датчиков механического движения и магнитного состояния за счет привлечения методов идентификации и организации оценки динамических выходных переменных [28, 67, 68, 116]. По этой причине синтез последовательных корректирующих устройств носит характер одной из двух самостоятельных задач, которые подразделяются в зависимости от способа получения информации о полном векторе пространства состояний [17]. Так, если все координаты состояния объекта доступны для измерения, то управления, вырабатываемые регулятором, носят характер линейных преобразований соответствующих компонент вектора пространства состояний и управляющих воздействий. В противном случае для получения недостающих данных необходимо восстановление или оценка их по имеющимся измерениям.
Другой особенностью синтеза регуляторов в структуре частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением является необходимость учета нестационарности объекта, которая обусловлена изменением в процессе работы АД активных сопротивлений фазных обмоток и приведенного момента инерции. Поэтому для качественного регулирования скорости необходимо использование алгоритмов адаптации, которые однако сложны в настройке и эксплуатации.
Избежать данного недостатка для некоторых математических моделей АД можно путем привлечения принципа локализации, обеспечивающего желаемые динамические свойства нестационарной САУ за счет преднамеренной организации быстрых движений, в которой частично или полностью локализуются внешние и внутренние возмущения. Системы векторного управления АД, синтезированные в соответствии с данным принципом, являются наиболее перспективными и сохраняют требуемые показатели в условиях интервальной неопределенности параметров [117].
Как отмечается в [104], в зависимости от условий эксплуатации электромеханических преобразователей можно выделить две обширные группы ЭП. К первой из них относятся регулируемые ЭП, для которых основными являются статические режимы работы с постоянной или медленно изменяющейся нагрузкой, а ко второй - ЭП, работающие, главным образом, в динамических режимах, связанных с отработкой быстроизменяющихся управляющих и возмущающих воздействий. В соответствии с данным разделением осуществляется выбор метода оценки, для которого должно достигаться экстремальное значение выбранного критерия. Так для первой группы оптимизируемый функционал должен отвечать некоторому энергетическому критерию, например, минимуму затраченной энергии или минимуму энергии электрических потерь. Для второй группы ЭП в качестве такого требования может выступать минимум времени, затраченного на перевод данной точки системы из одного состояния в другое, что соответствует классическому критерию оптимальности по быстродействию. Для водоснабжающих установок в АПК приоритетным является первая группа ЭП, анализ и синтез которой и положены в основу данной диссертации.
Применительно к асинхронным ЭП, которые в подавляющем случае являются приводами механизмов вентиляторного типа в диапазоне малых и средних мощностей, задачу энергосбережения можно сформулировать как отыскание управляющих воздействий в рамках систем с обратными связями и последовательной коррекцией.
Федеральная целевая программа «Социальное развитие села до 2010 года» и отраслевая программа «Энергосбережение в АПК на 2001-2006 гг.», ставят перед сельской энергетикой сложную задачу: снизить энергоемкость производства сельскохозяйственной продукции за счет реализации эффективных мер по энергосбережению при обеспечении надежного энергоснаб- жения сельских регионов и улучшения бытовых условий жизни населения с одновременным увеличением валового производства продукции. Актуальность этих задач вызвана тем, что проведенные реформы привели к снижению экономического уровня предприятий АПК. Низкое качество и неэффективное использование электрической энергии - характерные черты многих российских аграрных предприятий и сельских территорий.
Проблема энергосбережения в сельском хозяйстве в условиях перехода к рыночным отношениям обостряется в связи с дефицитом энергоресурсов и резким увеличением их стоимости. Поэтому первоочередной задачей экономии топливно-энергетических ресурсов в отрасли является снижение необоснованных энергозатрат, величина которых достигает 30-40% от общего потребления электроэнергии сельским хозяйством.
В агропромышленном комплексе в настоящее время широко применяется электропривод с асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. До 60% потребляемой электрической энергии используется в нерегулируемом асинхронном электроприводе, в то же время необходимо признать, что в последние годы в некоторых производственных процессах стали применять частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Расчет мощности электродвигателей осуществляют по максимальной загрузке потребителя, время действия которой, в соответствии с графиками нагрузки для многих технологических процессов, не превышает 20-30% длительности эксплуатационного режима. Одним из перспективных направлений снижения энергопотребления является внедрение векторного управления частотно-регулируемого электропривода. Однако эффективность применения этого управления во многом определяется обоснованным использованием его для конкретных технологических процессов с учетом специфики сельскохозяйственного производства.
Вышеуказанное определяет актуальность обоснования векторного управления частотно-регулируемых асинхронных электроприводов а агропромышленном комплексе.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Социальное развитие села до 2010 года» и отраслевой программой «Энергосбережение в АПК на 2001-2006 гг.».
Цель и задачи исследований. Целью работы является снижение энергозатрат в технологических процессах АПК путем реализации векторного управления частотно-регулируемых электроприводов в механизмах вентиляторного типа.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать способы энергосбережения в АПК и определить области допустимых управлений в частотно-регулируемом асинхронном ЭП.
Использовать математическую модель частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением для проведения теоретических исследований.
Провести экспериментальные исследования режимов энергосбережения частотно-регулируемого ЭП насоса водоснабжающей установки.
Дать технико-экономическую оценку результатов исследования режимов энергосбережения частотно-регулируемого электропривода насоса водоснабжающей установки с векторным управлением.
Объект исследования. Режимы регулирования асинхронных ЭП с векторным управлением в технологических процессах АПК.
Предмет исследования. Параметрические закономерности процесса векторного управления частотно-регулируемых ЭП насосов.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе теоретических и экспериментальных методов: математического и физического моделирования исследуемых процессов с использованием современной измерительной и вычислительной техники и проведения статистической обработки экспериментальных данных.
Технико-экономическая оценка предложенной технологии энергосбережения выполнена в соответствии с методикой, разработанной в МГТУ-МЭИ и утвержденной министерством топлива и энергетики.
Научная новизна. Решение поставленных задач определило научную новизну диссертационной работы, которая заключается в следующем: теоретически обоснована целесообразность использования векторного управления автоматизированных частотно-регулируемых электроприводов механизмов вентиляторного типа с целью повышения энергосбережения в сельскохозяйственном производстве и быту населения; установлена полученная на математической модели взаимосвязь между основными факторами, влияющими на энергосбережение при работе системы ЭП насоса водоснабжающей установки; на базе математической модели с использованием критерия минимальных энергетических затрат сформулирован метод рационализации режимов водоснабжения, в результате чего достигается минимальное значение времени переходного процесса при регулировании скорости ЭП насоса.
Практическая ценность диссертации. Разработаны и экспериментально апробированы инженерные методики расчета систем управления асинхронным электроприводом, при котором достигается минимальное значение времени переходного процесса в режиме отработки малых рассогласований по управлению и возмущению.
При создании экспериментальной установки на базе персональной ЭВМ и транзисторного комплектного электропривода «Размер 2М-5-2», которая была испытана на водонасосной станции в опытно-производственном хозяйстве «Венгеровское» ООО «Новосибохота», предложен комплекс технических решений, позволяющих использовать преимущества синтезированного алгоритма управления АД.
Реализация результатов работы. Разработанное техническое задание по проектированию и расчету системы векторного управления частотно- регулируемого асинхронного электропривода принято для исполнения ГУ ОПКТБ СибНИПТИЖа.
Результаты работы используются в учебном процессе Новосибирского государственного аграрного университета для специальности 110302 -«Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ НГАУ в 2005 - 2006 г.г., на 5-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в мае 2006 года в г. Москве, на 9-ой Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» в июле 2006г. в Новосибирске, на 3-ей Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК» в октябре 2006г. в г. Новосибирске.
По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе одна в реферируемом журнале ВАК «Вестник КрасГАУ».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, включая 11 на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 4 таблицы.
Основное содержание работы. Во введении обосновывается актуальность темы и ее практическая значимость, определяются цели и задачи исследований, дается общая характеристика работы.
В первой главе проведён анализ энергозатрат в сельскохозяйственном производстве, который позволяет выявить основные направления по энергосбережению, могущие дать наибольший эффект в АПК. Обосновывается эффективность векторного управления асинхронными ЭП насосных агрегатов систем водоснабжения.
Во второй главе рассматриваются математические модели АД, преобразователя частоты (ПЧ) и особенности построения и реализации системы векторного управления АД. Привлечённый аппарат теории дифференциальных уравнений, линейной алгебры и вычислительной техники с использованием векторно-матричной формы записи позволяет представить АД как двухка-нальный нелинейный объект. Математические модели использовались для теоретического исследования векторного управления АД в агропромышленном комплексе. В качестве базовой структуры замкнутой системы автоматического управления принималась система векторного управления АД, включающая в себя два внешних контура регулирования координат вектора выходных переменных - скорости и модуля вектора потокосцеплении ротора, а также внутренний трёхфазный релейный контур регулирования фазных токов. В главе приведены графики переходных процессов изменения угловой скорости и модуля потокосцеплении ротора, из которых видно, что динамические режимы с ограничением модуля тока статора протекают значительно быстрее по отношению к процессам в системе автоматического управления с ограничением управляющих воздействий.
В третьей главе описана методика проведения экспериментальных исследований управления статическими и динамическими режимами ЭП, включающая описание примененных современных приборов и аппаратов на базе микропроцессорной техники, а также приведены результаты моделирования на персональном компьютере с помощью программы Matlab 6,0 переходных процессов асинхронного электродвигателя по скорости и моменту при пуске и «набросе» нагрузки.
В четвертой главе рассматривается взаимосвязь технологических и энергетических режимов работы насосной установки и рассчитывается экономическая оценка эффективности применения векторного управления асинхронным электроприводом.
Основные положения, выносимые на зашиту: способ повышения энергосбережения технологических процессов в сельскохозяйственном производстве и быту населения на основе векторного управления частотно-регулируемых электроприводов; метод рационализации режимов водоснабжения, в результате чего достигается минимальное значение времени переходного процесса при регулировании скорости ЭП насоса; закономерности, полученные на математической модели между основными факторами, влияющими на энергосбережение при работе системы ЭП во-доснабжающей установки.
Электропотребление и анализ энергосбережения в АПК
Приведенная на рис. 1.2 структура потребителей электрической энергии в АПК говорит о том, что в сельскохозяйственном производстве доля электропривода составляет около 60%, что вполне согласуется с проведенным выше анализом, что электропривод является самым распространенным типом электроустановок в сельском хозяйстве. Из рис. 1.2 видно, что 60 % расходуемой в сельском хозяйстве электрической энергии приходится на электроприводы в производстве и быту населения, из которых 55% используется для питания асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. В производстве продуктов и прочих производственных электроустановках тратится 34% от всей используемой в отрасли электроэнергии, из которой 33% расходуется для питания установок, создающих микроклимат помещений (системы вентиляции, тепло- и водоснабжения), где как известно, более 90% электроэнергии используется в асинхронных электродвигателях с коротко-замкнутым ротором (насосы, вентиляторы, компрессоры). Эти особенности применения электроэнергии в электроприводах характерны и в промышленности, как в России, так и за рубежом.
По данным европейских экспертов цена электроэнергии, потребляемой ежегодно электродвигателями средней мощности в промышленности, сельском хозяйстве и ЖКХ в 5 раз превосходит цену двигателя [ПО]. Ежегодное потребление электроэнергии электроприводами в Западной Европе в ближайшей перспективе возрастет с 630 ТВт-ч в 1992 г. до 870 ТВт-ч в 2010 г., однако предполагается, что более 60% от ожидаемого прироста - 150 ТВт-ч будет покрыто за счет энергосбережения, в основном при переходе к регулируемым электроприводам. Американские эксперты считают, что регулируемый электропривод экономически эффективен в 50-75% всех технологических установок, хотя используется в настоящее время только на 7-10% [119].
Анализ электропотребления показал, что на его величину и динамику значительное влияние оказывают следующие основные показатели технологического процесса: режимы работы оборудования, состояние электроустановок и сетей, система управления и учета потерь, стимулирующие факторы повышения энергоэффективности. Так как в структуре электропотребления АПК до 60% электрической энергии расходуется в нерегулируемом асинхронном электроприводе и режим работы электродвигателей не связан с фактической нагрузкой, то именно эта область особенно перспективна в части снижения энергозатрат.
Таким образом, одни из самых распространенных типов механизмов, используемых в сельскохозяйственном производстве, являются вентиляторы, насосы, компрессоры, так называемые механизмы вентиляторного типа, электропривод которых выполнен на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Он компактен, имеет малую массу на единицу мощности и прост в эксплуатации. Однако асинхронным электродвигателям присущ существенный недостаток: сложность регулирования скорости вращения при питании его от сети с постоянными значениями напряжения и частоты тока. Это вызвало необходимость управления технологическими процессами с помощью технических устройств (дросселирование, регулирование потока воздуха и жидкости поворотными направляющими лопастями на входе или выходе потока, параллельное и последовательное включение машин в сеть трубопроводов и пр.), что непременно приводило к необоснованным потерям энергии.
Решить проблему регулирования скорости вращения асинхронного электродвигателя, как показывают многолетние исследования отечественных и зарубежных специалистов, можно путем использования устройств частотного регулирования, и доказанного в последние годы применения наиболее энергоэффективного векторного управления при частотном регулировании этими двигателями. Работы Браславского И.Я., Волкова А.В., Ильина Н.Ф., Костенко М.П., Ключева В.И., Пантелеева В.И., Сарач Б.М., Сандлера А.С., Чиликина М.Г. и других послужили теоретической базой для дальнейшего развития энергосберегающих методов на основе частотно-регулируемого асинхронного электропривода.
Как известно, скорость вращения асинхронного электродвигателя с ко-роткозамкнутым ротором пропорциональна частоте питающего напряжения, поэтому изменение частоты позволяет регулировать скорость вращения ротора. Современные преобразователи частоты позволяют управлять скоростью и моментом двигателя по заданным параметрам в точном соответствии с характером нагрузки. Это в свою очередь, дает возможность осуществлять точное регулирование практически любого процесса в наиболее экономном режиме, без тяжелых переходных процессов в технологических системах и электрических сетях.
В качестве преобразователей в системах частотного регулирования используются: - непосредственные преобразователи частоты, преобразующие переменное трехфазное напряжение сети в трехфазное напряжение, значение и частота которого могут регулироваться независимо друг от друга; однако сложность схем силовых цепей, ограниченный диапазон изменения выходной частоты, повышенная чувствительность к качеству напряжения сети, значительное искажение формы выходного напряжения, низкое значение cos ф ограничивают применение преобразователей этого типа; - двухступенчатые преобразователи частоты, выполненные на основе выпрямителя трехфазного переменного напряжения сети и автономного инвертора, преобразующего выпрямленное напряжение в переменное трехфазное с регулируемой частотой и амплитудой: несмотря на двухкратность преобразования энергии и обусловленное этим некоторое снижение КПД, такие преобразователи получили широкое распространение в различных электрических установках.
Особенности построения и реализации систем векторного управления АД
К настоящему времени в нашей стране и за рубежом разработано большое количество различных вариантов построения частотно-регулируемых асинхронных ЭП с векторным управлением. Их главное отличие от регулируемого ЭП постоянного тока заключается в явно выраженном векторном характере переменных АД и их изменении во времени не только в переходных, но и в установившихся режимах работы, что значительно усложняет анализ и синтез систем управления.
Современные САУ скоростью АД, как правило, функционируют в режимах разделения во времени процессов намагничивания и пуска. В результате этого происходит исключение из канала образования момента нелинейного звена умножения и обеспечиваются высокие динамические характеристики асинхронного ЭП с векторным управлением во всем диапазоне скоростей. Кроме того, как видно из формулы электромагнитного момента (2.13), в случае предварительного возбуждения АД, выражаемого требованием Ч, = Ч7 = const, регулирование частоты вращения производится за счет изменения поперечной (активной) составляющей вектора токов статора с одновременным поддержанием на требуемом уровне продольной (намагничивающей). Системы векторного управления синтезируются в классе многомерных многоконтурных нелинейных систем, что обусловлено наличием в структуре АД каналов намагничивания и образования момента с перекрестными связями между собой. При этом вектор выходных переменных образован двумя компонентами, одна из которых отвечает за магнитное состояние АД, а другая - за механическую координату ЭП. Управляющие воздействия в каналах АД формируются на выходе линейных подсистем, связанных между собой нелинейными функциональными зависимостями.
Синтез законов векторного управления может осуществляться в рамках как разомкнутых, так и замкнутых САУ, в том числе и с привлечением методов теории оптимального управления. Наибольшее распространение на практике получили системы с управлением по отклонению и последовательной коррекцией, которые имеют в своей структуре два отдельных замкнутых контура регулирования потока и скорости (угла поворота вала), стабилизирующие соответственно модуль вектора потокосцеплении ротора и частоту вращения (положения) двигателя. В зависимости от требований к астатизму по отдельным компонентам вектора выходных переменных применяются пропорциональные или пропорционально-интегральные законы управления АД.
В целях повышения быстродействия управления электромагнитным моментом в системах векторного управления АД строятся локальные контуры регулирования координат вектора токов статора в различных базисах. Трех-канальные или двухканальные контуры регулирования токов статора являются внутренними по отношению к двухканальному контуру регулирования вектора выходных переменных и предназначены для формирования координат Is с требуемым качеством и точностью.
В математической модели АД с использованием синхронно-вращающейся системы координат d-q, ориентированной по вектору потокосцеплении ротора, угловая скорость cov является зависимой переменной (2.12), что обуславливает различные способы получения информации о расположении опорного вектора в двумерном пространстве. Так, непосредственное ориентирование по полю осуществляется путем идентификации или прямого измерения, например, при помощи датчиков Холла, направляющих косинусов вектора у/г и основывается на следующих соотношениях [77,114,115] r r где y/ra, y/rp - координаты вектора потокосцеплений ротора в осях а-/?.
При синтезе САУ скоростью АД на систему накладываются ограничения по току, которое вызвано обеспечением безопасной работы силовых ключей, и по напряжению UmT, исходя из обеспечения максимальной частоты вращения при регулировании скорости с постоянством длительно допустимого момента.
Таким образом, основываясь на вышесказанном, системы векторного управления можно классифицировать по следующим основным признакам [104]. 1. Общий состав вектора выходных переменных и вид системы координат, выбранный для его представления. 2. Способ ориентации векторного пространства, в котором осуществляется формирование управляющих воздействий, и его связь с взаимно перемещающимися частями двигателя. 3. Принципы управления переменными в выбранных системах координат и взаимосвязь между локальными системами автоматического управления. 4. Способ получения информации о координатах вектора состояния. По первому признаку можно выделить следующие обширные группы систем векторного управления АД с описанием пространственных векторов: - в декартовых системах координат; - в полярных системах координат, а также комбинированные системы, которые включают в себя пространственные вектора, представленные как в декартовой, так и полярной системах координат. По составу вектора выходных переменных наибольшее распространение на практике получили системы с одновременным регулированием модуля вектора потокосцеплений ротора и скорости.
По второму признаку выделяются САУ скоростью АД с векторным управлением с непосредственным или косвенным ориентированием по полю, а также: 1. С управлением вектора выходных переменных в неподвижной системе координат, связанной со статором двигателя. 2. С управлением вектора выходных переменных во вращающейся системе координат в общем случае с произвольной угловой скоростью. В свою очередь данную подгруппу можно разделить на
Под третьим признаком классификации подразумевается разделение САУ скоростью АД по ряду широко используемых в теории автоматического управления понятий, таких как управление по отклонению, возмущению, комбинированное управление, последовательная и параллельная коррекция, системы подчиненного регулирования и т.д. По четвертому признаку выделяются системы векторного управления, в которых осуществляется: 1. Непосредственное измерение электромеханических переменных с помощью датчиков. 2. Косвенное измерение переменных через другие величины при помощи создания специальных наблюдающих устройств, которые строятся на основе математической модели объекта с адаптацией к медленно изменяющимся во времени параметрам АД.
Несмотря на то, что АД является сложным нелинейным нестационарным объектом, в рамках систем векторного управления машинами переменного тока удается добиться высоких энергетических и динамических показателей асинхронного ЭП в широких диапазонах регулирования частоты вращения, тем самым позволяя использовать АД в качестве приводного двигателя в ответственных технологических комплексах и системах.
Моделирование статического режима асинхронного электропривода
Система преобразователь частоты - асинхронный электропривод с точки зрения научного эксперимента представляет довольно сложную систему и поэтому наиболее целесообразно проводить ее исследование с помощью математической модели. Среди множества вопросов, возникающих при исследовании этой системы, особенно важным и довольно сложным является анализ электромагнитных процессов, протекающих в асинхронном электродвигателе и преобразователе частоты. Анализ этих электромагнитных процессов можно вести различным способом [ 49 ], в том числе и с помощью математического моделирования.
Математическая модель предполагает возможность проведения исследований по широкому кругу вопросов. В ее основе лежит расчет мгновенных значений токов и напряжений на всех участках и элементах исследуемого устройства. Именно с помощью математических моделей можно воспроизвести любые режимы, как, например, номинальный режим, переходные и аварийные процессы и прочие. На основе полученных массивов мгновенных значений можно в дальнейшем проводить расчеты действующих и средних значений величин токов и напряжений, энергетические характеристики и гармонический анализ.
Функциональная схема синтезированной САУ скоростью АД изображена на рис. 3.5. Представленная система векторного управления включает в себя двуканальный контур регулирования вектора выходных переменных, а также локальный контур регулирования фазных токов статора АД, на базе которого построен регулируемый источник токов с разрывным управлением. ПК1 - промежуточный преобразователь координат из вращающейся системы координат в полярную р,ср, предназначенный для последующего ограничения вектора и путем выделения в нем его евклидовой нормы и фазы; ОГР - звено ограничения амплитуды вектора управляющих воздействий в соответствии с (2.17); ПК2 - преобразователь координат из полярной системы координат р,(р в трехфазную А,В,С; РРТ - трехфазный релейный регулятор токов статора, осуществляющий управление транзисторными ключами силового преобразователя; ПЧ - преобразователь частоты, включающий в себя неуправляемый выпрямитель, емкостной фильтр и трехфазный мостовой АИН на полностью управляемых ключах; НАБ - наблюдающее устройство, в функции которого входит определения направляющих косинусов, предназначенных для ориентирования магнитного поля асинхронной машины [77], а также текущая оценка координат вектора выходных переменных, используемых в качестве сигналов обратных связей.
Для реализации компьютерной модели данной системы наиболее целесообразно использовать одну из современных систем программирования -систему Matlab 6,0, являющуюся языком высокого уровня, предназначенным для вычислений с большим числом прикладных программ [ 29 ]. Одна из структурных схем, которая была смоделирована с помощью вышеуказанного пакета программ, показана на рисунке 3.6. В данной структурной схеме применена двухканальная система регулирования токов статора в декартовой системе координат, в которой приведены следующие обозначения: РТ -двухканальный регулятор тока; di - положительный коэффициент передачи по току в канале обратной связи, может производиться различными методами согласно теории автоматического управления, например, методом стан es
Структурная схема двухканального контура регулирования токов статора с непрерывным управлением транзисторными ключами дартных линейных форм. В результате на рисунке 3.7 представлены два переходных процесса: пуск привода при прямом включении двигателя на напряжение питания и на-брос момента нагрузки.
До начала пуска двигателя все переменные параметры были равны нулю, то есть были нулевые начальные условия. В момент времени / = 1 с был скачком наброшен номинальный момент, равный примерно 5 Нм, что явилось причиной второго переходного процесса. К моменту его начала скорость двигателя, токи и потокосцепления уже достигли своих установившихся значений, которые определили ненулевые начальные условия для второго переходного процесса.
Если бы расчет второго процесса представлял самостоятельную отдельную задачу, то ненулевые начальные условия, существовавшие до его начала, должны были рассчитываться, а так они определились автоматически. Но если бы возникла необходимость определения их, должны быть известны начальное напряжение на статоре, круговая частота этого напряжения и начальная частота роторной ЭДС. Последняя величина может быть определена по механическим характеристикам двигателя на рисунках 3.3 и 3.4 для значения момента нагрузки до его увеличения.
Технико-экономическая оценка эффективности применения векторного управления асинхронным ЭП
Экономическая оценка разработанной технологии была осуществлена методом сопоставления экономических показателей эффективности различных вариантов проектных решений [15, 66]. При этом был соблюден принцип сопоставимости: сравниваемые технические решения должны иметь сопоставимые технико-экономические и производственно-технологические показатели, то есть были учтены потенциальные возможности энергосбережения с предварительной оценкой ресурсосбережения, срок окупаемости вложенных средств, возможность снижения затрат на обслуживание, уменьшение шума, снижение аварийности технологических систем, улучшение условий труда.
Технико-экономическое обоснование разработанного метода снижения затрат выполнено с учетом энергетического обследования объекта, анализа проектной и эксплуатационной документации, анализа режимов работы оборудования в соответствии с технологическим процессом и было предусмотрено решение следующих задач: - на каких объектах целесообразно и возможно применение регулируемого электропривода, и какие системы привода следует на них применить; - сколько и какие именно насосные агрегаты следует оснастить регулируемым электроприводом; - по каким технологическим и электрическим параметрам надлежит регулировать режим работы насосной установки; - как обеспечить взаимодействие регулируемых и нерегулируемых агрегатов, а также при необходимости связать работу нескольких насосных установок общей сетью; - какие способы регулирования, наряду с изменением угловой скорости насосов, имеет смысл использовать на данном объекте; - какими будут капитальные и эксплуатационные затраты, какие будут сроки окупаемости системы управления электроприводом насоса.
Приведенный ниже технико-экономический расчет учитывает указанные условия и выполнен для насосной установки, находящейся в эксплуатации, то есть когда не изменяется проектная технологическая схема. Для вновь проектируемых установок с системой ЧРП должны быть учтены аспекты, связанные с упрощением и удешевлением технологической схемы - отказ от применения обратных клапанов в насосах, исключение заслонок и задвижек, уменьшения числа насосов и другие аспекты.
Экономия воды в системах водоснабжения связана с устранением при регулируемом электроприводе ненужных избытков давления (напора). Наряду с изложенными составляющими энергосбережения, которые легко учитываются и оцениваются, применение разработанной системы управления дает ряд дополнительных преимуществ, таких как уменьшение износа основного оборудования за счет плавных пусков, устранения гидравлических ударов, снижения напора и возможности комплексной автоматизации систем водоснабжения. 1. Проведенная экономическая оценка системы водоснабжения сельского населенного пункта с векторным управлением частотно-регулируемого электропривода насосов и дросселированием показало, что при одинаковом напоре насосной установки предложенная система управления экономически выгодна за счет экономии затрат на электроэнергию, равную 6000 руб/год в расчете на насосную установку номинальной мощности 2,2 кВт. 2. Срок окупаемости затрат на установку системы векторного управления двигателем насоса при экономии электроэнергии и снижении расхода воды составит 11,5 месяца.
Теоретическое исследование частотно-регулируемого асинхронного электропривода, удовлетворяющего требованиям технологического процесса в части достаточного быстродействия в режимах сброса и наброса нагрузки, позволили получить следующие основные результаты. 1. Анализ электропотребления в АПК показал, что около 60% электрической энергии расходуется в нерегулируемом электроприводе с асинхронным короткозамкнутым электроприводом, что приводит к дополнительным энергозатратам. Внедрение векторного управления частотно-регулируемым приводом на базе современных преобразователей частоты позволяет экономить до 20% электрической энергии. 2. Реализация векторного управления позволяет наиболее полно использовать ресурс силового преобразователя по току, что имеет немаловажное значение при некоторых видах нагрузки. Вследствие этого повышается перегрузочная способность ЭП. 3. Использование управляющих воздействий по току и напряжению в традиционных системах векторного управления АД, работающих в режимах разделения процессов в каналах намагничивания и образования момента, позволяет сократить время переходных процессов. 4. Применение алгоритмов управления АД не требует принципиальных изменений в структуре многоканальной замкнутой САУ, синтезированной традиционными методами. Реализация их оправдана при реконструкции находящихся в эксплуатации асинхронных электроприводов, когда требуется увеличение быстродействия, а ресурс управления остается неизменным. 5. Разработана методика экспериментального исследования управления регулируемого электропривода, включающая описание примененных современных приборов и аппаратов на базе микропроцессорной техники и последовательность операций в процессе эксперимента. В качестве основного прибора использован контроллер семейства ПЛК MELSEC FX, позволяющий настроить систему в соответствии с необходимыми требованиями технологического процесса. 6. Использование в сельскохозяйственном производстве векторного управления АД только в системе водоснабжения позволит снизить энергозатраты до 20 %, расход воды - до 25 %. Годовой экономический эффект составит около 6 тыс. руб. в расчете на насосную установку (мощность электродвигателя 2,2 кВт) при сроке окупаемости затрат на установку системы управления менее 1 года. 7. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований векторного управления асинхронными двигателями различной мощности от 0,6 до 50 кВт показали высокую точность этих результатов для различных динамических моментов в режимах сброса и наброса нагрузки. Практическое применение алгоритмов управления создает возможность использования энергосберегающего векторного управления асинхронным электроприводом как при существующем, так и вновь разрабатываемом технологическом процессе.
