Содержание к диссертации
Введение
1. Электроприводы с транзисторными преобразователями частоты 9
1.1. Обзор современных систем асинхронного электропривода с частотным управлением 9
1.2. Принципы построения замкнутых систем управления частотными электроприводами 13
1.3. Сравнительный анализ существующих математических моделей АД 19
1.4. Критерии оптимального регулирования асинхронным электроприво дом 26
Выводы 30
2. Построение систем управления частотным электроприводом с настройкой на минимум тока и потерь 31
2.1. Принцип векторного управления АД. Описание системы 31
2.2. Построение экстремальных систем 45
2.3. Построение системы косвенного управления по потокосцеплению ротора 58
2.4. Сравнение результатов моделирования переходных процессов 72
Выводы 77
3. Построение систем управления электромеханическими системами с частотным электроприводом ... 78
3.1. Регулятор скорости на основе нечеткой логики для одномассовых систем с переменным моментом инерции 78
3.2. Нечеткий регулятор в двухмассовой системе с зазором на примере автоматической линии для производства профнастила 91
3.3. Выбор наблюдателя магнитного потока 98
3.4. Критерии выбора управляющего процессора 104
Выводы 113
4. Энергетические особенности системы электропривода насосной станции при питании от частотного преобразователя с косвенно векторным управлением 115
4.1. Электропривод насосной станции питьевой воды 115
4.2. Критерии оптимизации энергетических параметров системы векторного управления 122
4.3. Энергопотребление насосной станции 140
4.4. Учет расхода электроэнергии с помощью программы "Наблюдатель" . 144
Выводы 153
Заключение 154
Библиографический список 156
- Принципы построения замкнутых систем управления частотными электроприводами
- Построение системы косвенного управления по потокосцеплению ротора
- Нечеткий регулятор в двухмассовой системе с зазором на примере автоматической линии для производства профнастила
- Критерии оптимизации энергетических параметров системы векторного управления
Введение к работе
В условиях современного производства на первый план выходят мероприятия по решению вопросов улучшения динамики и экономичности действующих электроприводов (ЭП) механизмов различного класса. Улучшение энергетических показателей путем внедрения новых алгоритмов управления является одной из приоритетных задач электропривода.
Актуальность темы исследования. Из всех видов двигателей асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором получили наиболее широкое распространение в промышленности благодаря таким качествам как дешевизна, простота конструкции, высокий КПД. В настоящее время ими оснащены практически все неуправляемые механизмы, например, вентиляторы, насосы. В связи с увеличивающимися технологическими и экономическими требованиями все большая часть данного вида приводов переводится в разряд регулируемых. Внедрение частотного преобразователя позволяет повысить экономичность установленного АД с КЗ ротором, а также повышает срок службы механической составляющей привода, благодаря плавности операций пуска-торможения. Развитие промышленной электроники позволило создать системы на базе АД, которые по своим характеристикам не уступают системам с двигателями постоянного тока (ДПТ). Тем не менее, структуры систем управления асинхронного ЭП, сложившиеся в настоящее время, требуют дальнейшего совершенствования.
Вопросам минимизации переменных потерь и токов статора в асинхронном электроприводе посвящено множество работ. При этом оптимальные алгоритмы управления, полученные для скалярного и векторного управления, имеют существенные отличия. Это объясняется тем, что оба принципа управления оперируют различными переменными сложным образом связанными между собой. Для упрощения алгоритмов векторного управления целесообразно использовать модифицированные математические модели асинхронного двигателя, позволяющие упростить алгоритм расчета параметров сигналов управления.
Системы частотного асинхронного ЭП находят все большее применение
на сложных производственных механизмах, например, профилегибочных линиях. В этом случае к ЭП предъявляются высокие требования в отношении экономичности и динамических свойств. Здесь неоспоримы преимущества векторного управления. Напротив к ЭП турбомеханизмов, например, насосов, требования динамики и глубины регулирования частоты вращения не столь критичны, поэтому здесь оптимальным решением является применение системы скалярного управления без датчика скорости. Таким образом, разработка экономичных систем векторного и скалярного управления асинхронного ЭП на базе математического аппарата, применяемого для двух этих принципов, является актуальной и своевременной.
Работа выполнена на кафедре "Электропривода" при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» в рамках программы Министерства образования и науки Российской Федерации "Федерально-региональная политика в науке и образовании" по проекту "Разработка универсальных энергосберегающих систем электроприводов переменного тока для механизмов общепромышленного назначения ".
Объектом исследования является система частотного асинхронного электропривода с векторным управлением.
Цель работы является исследование систем частотного электропривода и их совершенствование путем внедрения новых алгоритмов управления, разработанных на основе модифицированной математической модели АД, обеспечивающих энергосбережение в статических и динамических режимах.
Идея работы заключается в разработке системы векторного управления, в которой поддерживается угол управления между вектором тока статора и пото-косцепления ротора, отвечающий требованиям минимизации тока и переменных потерь.
Задачи работы:
- разработка принципов построения частотного ЭП, оптимизированного
по минимуму потребления тока статора и минимуму потерь;
разработка структуры оптимизированного частотного управления асинхронным ЭП на основе математической модели, позволяющей исключить координатные преобразования Парка-Горева;
разработка математической модели асинхронного ЭП, наиболее полно учитывающей физику работы силовой части АИН, позволяющей исследовать свойства АД при питании от несинусоидального источника напряжения;
разработка методики построение энергетических характеристик разработанной системы частотного ЭП.
Методы исследования. В работе использованы методы классической теории автоматического управления, математического моделирования на базе современных вычислительных и программных средств, экспериментального подтверждения.
Научная новизна:
предложен принцип построения системы векторного управления с датчиком скорости, работающей в естественной системе координат, отличающийся от известных возможностью работы без использования координатных преобразований Парка-Горева, путем введения фазных регуляторов потока ротора, что позволит упростить структуру векторного управления, а также даст возможность строить многофазные ЭП;
предложена новая система экономичного скалярного управления без датчика скорости, отличающаяся от известных наличием блока коррекции коэффициента мощности, что позволит повысить энергетические показатели такого привода за счет поддержания коэффициента мощности на уровне соответствующем минимуму тока статора;
предложена новая оригинальная структура системы векторного управления по магнитному потокосцеплению ротора АД с системой поддержания оптимального угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора в статических и динамических режимах, оригинальность которой подтверждается получением положительного решения на выдачу патента на изобретение.
Практическая значимость:
- разработанный ЭП позволит сократить потребление тока статора из сети
на 9-11% при номинальной нагрузке, что позволит также увеличить макси
мально допустимый момент по условию нагрева;
разработанная структура управления ЭП, позволит строить систему управления многофазным АД, которая не содержит координатных преобразований, что существенно увеличивает возможности по улучшению эксплуатационных показателей;
разработанный нечеткий регулятор скорости для системы частотного асинхронного ЭП, позволяет без сложных настроек работать с нелинейной многомассовой механической системой и обеспечивает снижение уровня потребляемой активной мощности при разгоне и торможении;
разработанная программа учета расхода электроэнергии на насосной станции позволяет дистанционно опрашивать данные сети, обрабатывать их и хранить на компьютере.
Реализация результатов работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, применены в ходе пусконаладочных работ на насосной станции подачи холодной воды общежития ЛГТУ и используются в учебном процессе на кафедре "Электропривода" ЛГТУ.
На защиту выносятся:
результаты исследования систем векторного управления с улучшенными энергетическими показателями;
результаты исследования систем скалярного управления с улучшенными энергетическими показателями;
результаты математического моделирования, аналитического расчета системы векторного управления частотным ЭП, настроенной на минимизацию потребления тока статора, и данные, полученные в ходе экспериментов;
методика построения энергетических характеристик частотного ЭП со скалярным и векторным управлением.
Достоверность полученных результатов подтверждается математическим моделированием, экспериментом и сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода.
Апробация работы. Основные положения диссертационой работы докладывались и обсуждались: на научно-практической конференции "50-и летие образования Липецкой области" г. Липецк, 2003 г.; на научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве" г. Воронеж, 2003 г.; на IV Международной научно-практической конференции "Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий" г. Москва, 2003 г.; на Десятой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" г. Москва, 2004 г.; на ежегодных научных конференциях и семинарах ЛГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий обьем диссертации 183 с, в том числе 155с. основного текста, 55 рисунков, список литературы из 117 наименований, 5 приложений.
Принципы построения замкнутых систем управления частотными электроприводами
Вопросы построения систем автоматического управления (САУ) представляют собой конкретную задачу, связанную со знанием требований, предъявляемых к технологическому процессу и конкретному механизму. Подход к синтезу САУ электропривода переменного тока заключается в использовании полных дифференциальных уравнений асинхронного двигателя, полученных на основе теории обобщенной электрической машины [25,48,50,74]. При этом требуется рациональный выбор переменных, относительно которых синтезируется система управления, и рациональное ориентирование координатной системы относительно выбранных переменных. Это позволяет упростить задачу синтеза. Например, если управление идет со стороны статора (электроприводы с НПЧ в статорной цепи), то часто используют систему координат (ос,Р), которая неподвижна относительно статора машины. Для исследования свойств каскадных систем целесообразно использовать систему координат (d,q), которая жестко связана с ротором. Кроме этого, в настоящее время очень широко используется система координат (х,у), оси которой синхронно вращаются с полем машины. Но при моделировании совместной работы ПЧ и АД в этих системах координат принимают следующие допущения: - форма питающего напряжения - непрерывная синусоида; - параметры фазных обмоток статора и ротора симметричны.
При создании асинхронных частотных приводов часто не учитывается векторный характер задач проектирования, и синтез структур производится на основе динамических моделей. Это проявляется уже на этапе выбора математической модели электрической машины как объекта автоматического управления. Предпочтение отдается вариантам удобных для анализа динамических процессов и имеющих минимальное число регулируемых переменных и перекрестных связей, для чего осуществляется переход от трехфазной машины к двухфазной, используются вращающиеся ортогональные координаты, связанные с одним из векторов состояния электрической машины.
Такой подход полностью себя оправдал и дал ощутимые результаты в этой области. Однако двухфазные модели не отвечают современным требованием векторного проектирования. Известно, что модель машины переменного тока является инструментом синтеза систем автоматического управления, поэтому не учет в ее структуре некоторых конструктивных особенностей, например многофазности, приводит к существенному ограничению вариантов структур электроприводов, синтезированных на основе двухфазной модели, что сужает возможности по совершенствованию эксплуатационных характеристик двигателя.
Помимо этого, в отличии от двигателей постоянного тока, управление двигателями переменного тока осложнено рядом обстоятельств: - момент двигателя определяется произведением двух обобщенных векторов электромагнитных параметров статора и ротора, но регулирование электромагнитных параметров ротора у АД с КЗ ротором осуществляется косвенно через статорную обмотку; - токи (потокосцепления) в каждой фазе двигателя определяются не только параметрами машины и прикладываемым к этой фазе напряжением, но и значениями токов (потокосцеплений) в других фазах статора в электроприводах пе 15 ременного тока возникает задача регулирования основного магнитного потока для лучшего использования двигателя, т. е. возникает необходимость создания взаимосвязанных многоканальных систем регулирования. Одними из основных регулируемых параметров являются скорость ротора и момент. Канал, по которому осуществляется их регулирование, формирует первое управляющее воздействие. В качестве второй управляемой переменной принимают реактивный ток статора или ротора формирующий поток в зазоре. Кроме того, здесь решается задача минимизации потерь, токов и др. [18,65,77,91].
Общие методы структурного построения систем управления двигателями постоянного тока могут быть применены к системе ПЧ-АД. Следует учесть, однако, что последние обладают меньшими функциональными возможностями, чем двигатели двойного питания, и при проектировании систем управления учитывается то, что в АД с КЗ ротором единственным управляющим воздействием является изменение амплитуды и частоты подводимого напряжения. В случаях, когда напряжение, подводимое к статору, меняется, применяют корректирующие сигналы, которые улучшают динамические свойства системы, и, вместе с тем, усложняют систему управления [21,88]. Такие системы рекомендованы для приводов с повышенными требованиями к качеству регулирования.
Современные частотно-управляемые электроприводы выполнены по принципу подчиненного регулирования переменных. Синтез систем управления связан с особенностями систем ПЧ-АД. На характеристики электропривода существенное влияние оказывают электромагнитные процессы в системе, которые необходимо учитывать для получения высоких динамических показателей и обеспечения устойчивости привода.
Применение принципов подчиненного регулирования параметров электропривода переменного тока впервые было выполнено фирмой "Siemens". В настоящее время разработано большое количество САУ асинхронными. электроприводами. Разделяя их по способу ориентации координатной системы, в которой осуществляется регулирование векторов напряжения, тока, потокосцепления, можно отметить системы с ориентацией координатной системы по направлению вектора потокосцепления ротора и системы с ориентацией вектора потокосцепления статора. Примером систем первого типа является система "Transvektor". Эта система обеспечивает характеристики, качественно не отличающиеся от характеристик электроприводов постоянного тока.
Разработаны более простые САУ электроприводами переменного тока, основанные на использовании АИТ [92]. В этих системах осуществляется принудительная ориентация результирующего вектора тока статора относительно потокосцепления ротора. Регулирование потока и момента может осуществляться как по разным каналам, так и по одному, где сигналом задания служит выходной сигнал регулятора скорости. Таким образом, для достижения высокого качества динамических характеристик электропривода при заданном ограничении тока статора требуется поддерживать потокосцепление ротора постоянным и на определенном уровне [33].
Из анализа законов частотного управления следует, что наиболее приемлемыми с точки зрения перегрузочной способности двигателя в широком диапазоне регулирования, минимума потерь и точности поддержания частоты вращения ротора являются законы поддержания постоянства потока и абсолютного скольжения (частотно-токовое управление).
Построение системы косвенного управления по потокосцеплению ротора
Структурная схема системы косвенного управления по магнитному потокосцеплению ротора представлена на рис.2.8. Электропривод переменного тока содержит трехфазный инвертор 1, два силовых выхода которого соединены через датчики тока 2 и 3 с двумя обмотками статора асинхронного двигателя 4, а третий силовой выход инвертора 1 соединен с третьей обмоткой статора двигателя 4 напрямую. На валу двигателя 4 установлен датчик скорости 5. Управляющие входа инвертора 1 соединены с выходами блока широтно-импульсной модуляции (ШИМ) регулятора тока 6. Выходы датчиков тока 2,3 соединены с входами сумматора тока 7. Выходы датчиков тока 2,3 наряду с выходом сумматора тока 7 поступают на блок ШИМ регулятора тока 6. Выход датчика скорости 5 соединен с отрицательным входом блока сравнения скорости 8, положительный вход которого подключен к блоку задания скорости 9. Выход блока сравнения скорости 8 подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора скорости 10. Выход регулятора скорости 10 соединен с входом регулятора момента 11. Выход регулятора момента соединен с блоком ограничения заданного потокосцепления 12. Выход блока 12 соединен с входом блока задат-чика интенсивности формируемого потокосцепления 13. Выход пропорционально-интегрального регулятора скорости 10 соединен с первым входом блока задания тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора 14, второй вход которого соединен с выходом задатчика интенсивности потокосцепления ротора 13. Выход блока 14 соединен с входом блока ограничения формируемого тангенса угла 15. Выход блока 15 соединен с первым входом блока формирования частоты вращения магнитного потока ротора 16, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости 5. Выход задатчика интенсивности 13 соединен с первым входом блока формирования задания мгновенных значений потокосцепления ротора 17, второй вход которого соединен с блоком 16. Три фазных выхода блока 17 соединяются с входами регуляторов фазных потоков ротора 18,19,20, выходы которых поступают на три первые входа блока ШИМ регулятора тока 6. Шесть выходов блока 6 которого соединены с шестью управляющими входами трехфазного инвертора 1. Выходы датчиков тока 2,3, а также выход сумматора тока 7 соединены с тремя входами ШИМ регулятора тока 6. Выход датчика скорости 5 соединен с первым входом блока расчета скольжения 21, второй вход которого соединен с выходом блока формирования частоты вращения магнитного потока ротора 16. Выход блока расчета скольжения 21 соединен с входом блока расчета постоянной времени интегрирования 22, выход которого соединяется с тремя блоками регуляторов фазных потоков ротора (18,19,20).
Подробное описание элементов системы электропривода следует начать с инвертора напряжения выполненного по мостовой схеме на основе IGBT транзисторов с обратными диодами рис.2.9.
Путем поочередного включения транзисторов на выход А,В,С инвертора подается постоянное напряжение, полярность которого зависит от того, какой ключ, верхний или нижний, находится во включенном состоянии. Таким образом, на выходе формируется переменное трехфазное напряжение, поступающее на статорную обмотку АД с КЗ ротором. Управление очередностью включения силовых IGBT транзисторов (Т1,Т2,ТЗ,Т4,Т5,Т6) осуществляется регулятором тока рис.2.10, представляющего собой внутренний контур управления. Регулятор выполнен на основе сравнения мгновенного заданного значения тока статора It, с фактическим I,, что соответствует релейному управлению системы, у которых в прямом канале регулирования на входе электродвигателя имеется силовой релейный элемент с двумя устойчивыми состояниями. В результате сравнения на выходах сумматоров 1,2,3 получаем: где AIla,AIlb,AIlc- разница мгновенных значений между заданным и фактическим током статора соответственно фаз А,В,С. Полученная таким образом разница поступает на входы блоков гистерезиса 4,5,6 работающих по следующему алгоритму: где h- модуль гистерезиса, задаваемый из условия точности поддержания тока статора и устойчивости работы системы регулирования. Обычно принимается равным где 11н - действующее значение номинального тока статора приводимое в паспорте на электродвигатель. Далее сигнал булевой алгебры с выхода блоков гистерезиса поступает на выход управления IGBT ключами соответствующей фазы. Причем за счет инверторов 7,8,9 исключается ситуация когда верхний и нижний ключ соответствующей фазы оказываются включенным одновременно, что недопустимо по условиям работы инвертора. Частота переключений силовых ключей зависит в первую очередь от частоты, с которой происходит сравнение, и поэтому не превышает ее. Частота операций сравнения определяется циклом подпрограммы и является известной величиной. В качестве примера рассмотрим совместную работу такого регулятора тока с инвертором напряжения рис.2.11. Для наглядности значение h принято равным 1А, при заданном токе в 10А. Привод является разогнанным, поэтому выходная частота тока статора близка к 50Гц. Из диаграммы видно, что ток статора не выходит за рамки установленного диапазона, при этом частота выходного напряжения не превышает значения в fPT = 10000Г0 жестко установленного программно. Канал управления инвертором может осуществлять либо дискретное, либо непрерывное формирование частоты напряжения.
Нечеткий регулятор в двухмассовой системе с зазором на примере автоматической линии для производства профнастила
Профилегибочное оборудование предназначено для производства, изготовления профнастила из оцинкованной стали и тонколистового металла с полимерным или лакокрасочным декоративно-защитным покрытием толщиной 0,5-0,7 мм. Сырьем для данного производства является:- сталь оцинкованная в рулонах; - сталь оцинкованная с полимерным покрытием в рулонах.
Схема оборудования профилегибочного стана показана на рис.3.10. В состав оборудования входит: разматыватель; механизм контроля петли; стан прокатный профилирующий; ножницы гильотинные профильные; пульт управления; приемный стол.
Линия укомплектована системой автоматического управления на базе современного контроллера Siemens. Пульт управления оснащен системой индикации основных технологических параметров и оповещения аварийной ситуаций.
Профилегибочный стан состоит из двух групп последовательно расположенных формующих клетей - основной и дополнительной. Гладкие валки первой клети стана служат для приема полосы и подачи её в формующие валки последующих клетей. В каждой формующей клети - два горизонтальных рабочих валка, состоящих из вала, устанавливаемого в подушках на подшипниках качения, и профильных элементов, крепящихся на валу с двух сторон зажимными гайками. На последних четырех основных клетях формовочного стана установлены вертикальные ролики для окончательной формовки профилей.
Профиль формуется в результате вреза в верхние валки. На торцевой плоскости формовочных клетей, со стороны обслуживания, предусмотрены механизмы фиксации верхнего и нижнего валков в осевом направлении при неподвижных подушках. Верхний валок относительно нижнего и вертикальной плоскости устанавливается нажимным устройством с зазором, равным толщине формуемой полосы. Уравновешивается он четырьмя пружинами в верхних подушках.
Кинематическая схема механической части электропривода приведена на рис.3.10. Здесь двигатель через соединительную муфту, цилиндрический одноступенчатый редуктор и две цепные передачи приводит в движение профильные валки. При нагружении элементы системы (валы, опоры, цепные передачи) деформируются, так как механические связи не являются абсолютно жесткими. При заправке листа поочередно нагружаются все клети в результате чего возрастает момент сопротивления вращению и происходит взаимное перемещения масс определяемое жесткостью связи с15...,с8. Помимо этого, такие элементы как редуктор и цепные передачи содержат зазоры ср.
При составлении данной кинематической схемы механическая инерция элементов связывающих массы не учитывается. Каждый вращательно движущийся элемент обладает моментом инерции J и связан с другими механической связью, обладающей жесткостью с.
Для составления расчетной схемы механической части электропривода приведенной на рис.3.11 было произведено приведение всех параметров элементов кинематической цепи к скорости двигателя. После приведения их значений к расчетной скорости осуществляется выбор главных масс и главных упругих связей. На этой основе составляется упрощенная расчетная схема двух-массовой механической системы с зазором, рис.3.12.
Наличие зазора и упругости значительно увеличивает динамические нагрузки в механической части привода. Нагрузочный момент Mc представляет собой периодический пилообразный сигнал с частотой 0,5Гц, и меняющий свою амплитуду с -5 до 5 н-м. Значение допустимого момента лежит в диапазоне ±20 н-м.
Графики переходных процессов по моменту и скорости представлены на рис.3.14 и рис.3.15. Как видно из графиков затухание колебаний выходной скорости в двухмассовой системе с HP происходит значительно быстрее. Это обусловлено структурой регулятора и правилами заложенными в него, а именно в момент приближения текущего значения скорости к заданному в системе с HP производится оценка ускорения движения выходного вала и если оно имеет значительное значение HP незамедлительно формирует момент препятствующий дальнейшему разгону. В то время как система с СО продолжает по инерции формировать большее значение момента, тем самым, увеличивая время переходного процесса.
Для расчета полной мощности затрачиваемой на разгон двухмассовой системы можно воспользоваться уравнением полной мощности на валу двигателя:
Согласно ему затрачиваема мощность в обоих случаях равна. Это связано с тем что работа совершаемая по разгону электропривода до заданной скорости не зависит от типа регулятора.
Критерии оптимизации энергетических параметров системы векторного управления
Но вместе с тем основной элемент насосной станции - преобразователь частоты управляется по стандартным частотным законам: — = const. Что при работе в режимах с малым значениях момента и в зоне низких частот (основной режим) ведет к неоправданным потерям электроэнергии. Улучшение энергетических показателей насосной станции за счет рационализации системы управления является актуальной задачей в сфере частотного управления,так как позволит сократить общее время окупаемости станции в целом.
Применение асинхронных электроприводов с высокими энергетическими показателями является одной из главных задач в условиях современного производства. Основными энергетическими показателями электропривода являются коэффициент мощности cos и КПД. Зачастую улучшение коэффициента мощности требует применения различных устройств для компенсации реактивной мощности, потребляемой из сети, однако это приводит к увеличению габаритов системы, снижает надежность работы и может быть рекомендовано для мощных электроприводов промышленных механизмов. КПД системы определяется полезной мощностью на валу двигателя и потерями в системе, числом ступеней преобразования энергии, алгоритмом управления инвертора. Последнему критерию, как известно, удовлетворяют электропривода с векторным управлением. Однако испытания [1] показали, что при питании АД от ПЧ номинальная мощность снижается практически на 10%, также уменьшаются значения вращающих моментов. Перегрев обмотки статора превышает допустимые значения. Причиной этого являются добавочные потери, вызванные высшими гармониками, генерируемыми ПЧ.
Использование системы частотно-векторного управления по потокосцеп-лению ротора управления позволит улучшить энергетические показатели электропривода за счет уменьшения добавочных потерь.
При проектировании систем электропривода стараются достичь в определенных режимах работы рационального использования двигателя. Существует ряд конструктивных мер по снижению добавочных потерь от высших гармоник и соответственно улучшению энергетических показателей: - увеличение числа пазов статора; - увеличение воздушного зазора; - дополнительное охлаждение ротора; - применение внешних фильтрующих устройств и др. При увеличении числа пазов статора добавочные потери уменьшаются обратно пропорционально числу зубцов статора. При увеличении воздушного зазора амплитуда высших гармоник поля изменяется приблизительно обратно пропорционально воздушному зазору, а добавочные потери - обратно пропорционально квадрату воздушного зазора. В АД общего назначения со степенью зашиты IP44 вследствие большего нагрева ротора, чем статора, воздушный зазор уменьшается на 7-12,5% [1], т.е. добавочные потери возрастают на 15-27%. Применение дополнительного охлаждения ротора позволяет сохранить воздушный зазор, т.е. снизить добавочные потери.
Все эти методы рассчитаны на конструктивное изменение двигателя, что зачастую неприемлемо для уже работающих приводов. Поэтому рассмотрим методы снижения потерь путем изменения закона управления, за счет более полного использования параметров двигателя. Такого эффекта можно достичь поддержанием постоянного оптимального угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора. Тогда при любой данной нагрузке формируется такое значение напряжения и частоты, при которых энергетические характеристики двигателя оптимальные.
Определение этого значения напряжения зависит от критерия, по которому производится оптимизация, в нашем случае это минимум тока статора.
При условии М = const система может быть оптимизирована по минимальному току статора, минимуму общих потерь в системе электропривода и минимуму потерь в обмотках статора и ротора двигателя за счет поддержания постоянного оптимального угла. Практическое значение имеет повышение перегрузочной способности двигателя.
Чтобы построить зависимость тока статора от угла управления воспользуемся формулами (2.24),(2.39) и получим: для скольжения соответствующему номинальному скольжению работы системы s=0,02. Построение естественной характеристики производилось путем моделирования работы двигателя при питании напрямую от сети, при различном моменте нагрузки на валу двигателя.
Из рис.4.6 следует, что значение действующего тока статора,необходимого для обеспечения номинального момента,можно уменьшить на 9% благодаря поддержанию оптимального угла в 45. Следовательно, не превышая значение номинального тока, можно получить значение момента выше номинального. Зависящим от тока статора является ток намагничивания и ток ротора, от значения которых зависят все электромагнитные потери АД, следовательно, уменьшение тока статора ведет к уменьшению суммарных потерь, что в свою очередь ведет к увеличению общего КПД электропривода.
При выборе системы электропривода для механизмов непрерывного действия, работающих со стабильной нагрузкой на валу, удобной и достаточной оценкой энергетической эффективности электропривода является значение КПД и cos p [49]. Как будет показано ниже, эти понятия тесно взаимосвязаны через электромагнитные потери.
Согласно особенностям потребления электрической энергии АД мгновенная мощность может быть представлена двумя составляющими. Одна из них в любой момент положительна, имеет среднее значение UIcos# , которое определяет активную мощность. Другая составляющая имеет среднее значение, равное нулю, и отражает процесс периодического обмена энергией между источником и приемником. Амплитуда переменной составляющей этой мощности UIsin# определяет реактивную мощность. Из этого следует, что для передачи одной и той же средней за период мощности при отсутствии реактивной составляющей был бы необходим ток Icos . Поскольку потери мощности в активных сопротивлениях источника, линии и приемника Rs определяется полным током I,, то при заданной активной мощности эти потери будут равны:
