Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ основных направлений исследований по созданию энергосберегающих систем регулирования скорости турбомеханов 12
1.1. Работа турбомеханизма на сеть 13
1.2. Эффективность регулирования скорости электропривода насосов 17
1.3. Системы регулируемых электроприводов турбомеханизмов 21
1.3.1. Асинхронный электропривод с регулированием напряжения на статоре двигателя 23
1.3.2. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 28
Выводы по главе 1 32
2. Определение состава электропривода турбомеханизмов и основных законов регулировния 33
1.1. Критерии оптимального регулирования асинхронных электро приводов с вентиляторной характеристикой 34
2.2. Определение режимов максимальной производительности электропривода турбомеханизмов 38
1.2. Выбор типа преобразователей для частотно - регулируемых электроприводов 41
2.3.1. Электромагнитная совместимость системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель при импульсной модуляции 42
2.3.2. Электромагнитная совместимость АИН и АИТ с питающей сетью 48
2.3.3. Элементная база 51
2.4. Регулируемые выпрямители с улучшенными энергетическими показателями для питания АИТ 53
2.4.1. Особенности построения вентильных преобразователей переменного тока в постоянный на базе полностью управляемых приборов и устройств 53
2.4.2. Работа конденсаторного фильтра в режимах двухстороннего обмена энергией с индуктивными элементами контура коммутации 55
2.4.3. Установившиеся режимы и энергетические характеристики компенсированного преобразователя с конденсаторным фильтром 57
Выводы по главе 2 63
3. Исследование переходных процессов при частотном управлении электроприводов турбомеханизмов 65
3.1. Общие положения 65
3.2. Частотное регулирование АД при ступенчатом изменении напряжения и частоты 68
3.3. Частотное регулирование АД при линейном изменении напряжения 73
3.4. Статическая и динамическая устойчивость систем ПЧ - АД для турбомеханизмов 76
3.4.1 .Статическая устойчивость 76
3.4.2. Динамическая устойчивость 78
3.5. Частотный пуск турбомеханизмов, имеющих большие инерционные массы 80
3.6. Свойства асинхронных двигателей при частотном пуске 86
3.7. Моделирование прямого пуска асинхронного двигателя 89
Выводы по главе 3 96
4. Разработка системы управления и технико - экономические показатели регулируемых электроприводов турбомеханиов 97
4.1. Разработка системы управления электроприводом турбо-механизмов с АИТ 97
4.1.1. Обобщенный двигатель переменного тока 97
4.1.2. Способы управления двигателями переменного тока 102
4.1.3. Нормированный опорный вектор 104
4.1.4. Преобразование переменных 105
4.1.5. Частотное управление 110
4.2. Векторное управление 114
4.3. Система частотного управления электроприводом насосов 117
4.3.1. Защита от гидравлических ударов 122
4.4. Технико-экономические показатели частотно - регулируемого электропривода турбомеханизмов 126
4.4.1. Методика определения экономического эффекта регулирования скорости электропривода насосов 127
4.4.2. Экспериментальная проверка эффективности применения частотно - регулируемого электропривода насосного агрегата 129
4.5. Эффективность применения компенсированных выпрямителей 132
Выводы по главе 4 135
Заключение 137
Список литературы 140
- Асинхронный электропривод с регулированием напряжения на статоре двигателя
- Электромагнитная совместимость системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель при импульсной модуляции
- Частотный пуск турбомеханизмов, имеющих большие инерционные массы
- Экспериментальная проверка эффективности применения частотно - регулируемого электропривода насосного агрегата
Введение к работе
Актуальность темы.
Энергосбережение (или рационализация производства, распределения и использования всех видов энергии) стало в последние годы одним из основных приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира. Энергосбережение в любой сфере сводится к снижению бесполезных потерь. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что определяющая потерь (до 90%) приходится на сферу потребления.
Электропривод, являясь энергосиловой основой современного производства, потребляет около 60% всей вырабатываемой электроэнергии, следовательно, основной эффект энергосбережения может быть получен в этой сфере. Большая часть электроэнергии потребляется электроприводами на основе повсеместно используемых асинхронных электродвигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, для которых основным направлением энергосбережения является переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Это направление принято в мировой практике и интенсивно развивается, чему активно способствуют два совпавших во времени события: наметившийся дефицит энергоресурсов и ощутимый рост их стоимости и выдающиеся успехи силовой электроники и микроэлектроники.
По разработанной РАО «ЕЭС России» программе стратегии одним из главных направлений развития «ЕЭС» России на ближайшие 10 — 20 лет должно стать техническое перевооружение. Речь идет о коренной реконструкции существующих тепловых электрических станций (ТЭС) с заменой основного и вспомогательного оборудования на новое с улучшенными технико-экономическими характеристиками и продлении срока службы оборудования, отработавшего свой ресурс.
Разработана и утверждена программа энергосбережения в отрасли
«Электроэнергетика» на 1999 - 2000 г. и на перспективу до 2005 г. и 2010 г., охватывающая значительное количество ТЭС с более чем 1200 питательными, сетевыми, циркуляционными, подпиточными и другими насосами, а также тяго-дутьевыми механизмами /161/.
Кроме указанных объектов для жизнеобеспечения населения находятся в постоянной работе многие тысячи насосов, обеспечивающих снабжение горячей и холодной водой, отопительные системы и другие объекты коммунального хозяйства/Около 25% вырабатываемой электроэнергии потребляется электроприводами турбомеханизмов. Кроме того, на питание турбоме-ханизмов, собственных нужд электростанций расходуется еще 5 — 10% от вырабатываемой электроэнергии.
Поэтому главной целью реконструкции является повышение эффективности выработки электроэнергии и энергосбережения. Это позволит не только предотвратить непосильный для топливно-энергетического комплекса и разорительный для страны рост спроса на энергоносители, достичь экономического эффекта, многократно окупающего затраты на энергосбережение, но и существенно повлиять на экологию окружающей среды.
Из спектра различных решений, применяемых для энергосбережения, одно из наиболее эффективных и быстроокупаемых, требующих относительно небольших капиталовложений - внедрение высокотехнологичной и наукоемкой энергосберегающей техники - частотно-регулируемых асинхронных приводов, позволяющих оптимизировать режимы работы турбомеханизмов в широком диапазоне изменения нагрузок.
Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры объединяются в один класс нагрузочных механизмов для электропривода, так как их характеристики, с точки зрения требований и условий работы электропривода, имеют много общего.
Традиционные способы регулирования подачи насосных и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего
7 числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению на коллекторе или в диктующей точке сети, уровню в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение технологических задач и практически не учитывают энергетических аспектов транспорта воды или газа.
Гидравлическое и электротехническое оборудование насосных и вентиляторных установок обычно выбирается по максимальным техническим параметрам (подаче, напору и др.). Однако в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию эти установки выходят на проектные режимы в течение нескольких лет. Поэтому существующие станции нередко работают в режимах, отличающихся от расчётных /82/. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные переменным водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются вне рабочих зон их характеристик.
Поэтому с появлением надёжного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспорта воды или газа с плавным регулированием рабочих параметров насосной или вентиляторной установок без непроизводительных затрат электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи.
Со времени энергетического кризиса, вызвавшего повышение в 70-80-е годы цен на энергоресурсы, исследовались возможности энергосбережения, в том числе у рабочих машин с квадратически изменяющимся моментом вращения по отношению к частоте вращения. С помощью регулирования частоты вращения для изменения расхода по сравнению с дросселиванием достигается значительный потенциал сбережения энергии.
Если момент вращения - квадратическая функция частоты вращения, то мощность на валу двигателя уменьшается в кубической зависимости при снижении частоты вращения.
В настоящее время в приводах насосов, вентиляторов используются асинхронные двигатели, которые питаются от статических преобразователей частоты.
Таким образом, применение регулируемого электропривода турбомеха-низмов позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой экономится не только электроэнергия, но и сберегается тепловая энергия и сокращается расход воды за счёт утечек её при превышениях давления в магистрали, когда расход мал.
Дополнительно новая технология энергосбережения в вентиляторных установках с большой суммарной мощностью позволяет регулировать мощность в часы максимума нагрузки и тем самым сократить затраты на электроэнергию при двухставочном тарифе. При частотном регулировании насосов можно в значительной степени избежать аварийные ситуации за счёт предотвращения гидравлических ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске системы при нерегулируемом электроприводе. Поэтому проводимые работы по переводу турбомеханизмов на регулируемый электропривод являются актуальными.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы в соответствии с Федеральным законом об энергосбережении, проводимой в Воронежском государственном техническом университете по решению Государственного комитета РФ по высшему образованию.
Цель работы.
Разработка и исследование путей модернизации нерегулируемых электроприводов турбомеханизмов, имеющих асинхронные короткозамкнутые электродвигатели, путём применения статических преобразователей частоты для регулирования производительности механизмов с целью достижения значительного экономического эффекта, выражающегося в виде: экономии потребляемой энергии; сокращения утечек холодной и горячей воды при более точном поддержании давления в магистрали; повышения надёжности за счёт плавного регулирования производительности (при пуске и останове ликвиди-
9
руются гидравлические удары в магистрали); улучшения электромагнитной со
вместимости в системах ПЧ - АД и выпрямитель — силовая сеть; возможности
снижения заявленной мощности в часы максимума нагрузки.
Задачи работы.
* В число решаемых задач входят:
рассмотрение требований и критериев оптимизации статических и специфических динамических режимов частотно-регулируемых асинхронных электроприводов механизмов с вентиляторной характеристикой;
разработка методики оптимизации ограничений по току, потерям, нагреву и предельному значению напряжения на зажимах двигателя;
исследование процессов в асинхронных двигателях при частотном управлении электроприводов турбомеханизмов в статике;
разработка критериев выбора типа преобразователя частоты по технико — экономическим показателям;
^ - усовершенствование ПЧ с целью повышения электромагнитной совмести-
мости.
Методы исследования.
В работе использованы: методы дифференциального и интегрального исчисления, методы теории систем и электрических цепей, методы автоматического управления, методы моделирования на ЭВМ, критерии оптимальности замкнутых систем.
Достоверность результатов исследований проверялась сопоставлением их
с данными, полученными в работах других авторов и на основе испытаний на
турных установок.
4 Практическая значимость результатов:
- подтверждена высокая эффективность частотного регулирования
электроприводами турбомеханизмов за счёт экономии электроэнергии, сокра
щения расходов воды холодного и горячего снабжения, повышения устойчивости
10 трубопроводов от гидравлических ударов при плавном регулировании производительности турбомеханизмов;
доказана целесообразность применения регулируемых выпрямителей с искусственной коммутацией на новой элементной базе (тиристоров GTO и силовых транзисторов IGBT) с целью существенного улучшения электромагнитной совместимости с системой электроснабжения;
определена граница применения АИН и АИТ;
результаты исследований и расчётов характеристик регулируемого электропривода переданы для использования в учебном процессе ВІТУ;
разработана методика определения технико-экономических показателей применения регулируемых электроприводов турбомеханизмов.
Реализация работы нашла отражение в выполнении комплексной программы «Энергосбережение», проводимой в ВГТУ в лаборатории по энергосбережению. Материалы исследований используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании на факультете автоматики и электромеханики ВГТУ.
Апробация работы. По результатам исследования сделаны сообщения на научно-технических конференциях: «Автоматизация и роботизация технологических процессов» (Воронеж, 2002), «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2003, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 139 страницах, четырех приложений; содержит 56 рисунков, и список использованной литературы из 164 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность темы диссертации, формируется цель работы, излагаются основные задачи диссертации.
Первая глава посвящена анализу основных направлений разработки и оптимизации частотно-регулируемых асинхронных электроприводов турбомеханизмов.
Вторая глава посвящена исследованию оптимальных режимов по максимуму производительности в статических режимах при частотном регулировании электроприводов турбомеханизмов. Определены основные законы регулирования при минимизации греющих потерь. Проведено обоснование выбора типа преобразователя по критериям электромагнитной совместимости систем «преобразователь частоты—асинхронный двигатель» и «преобразователь частоты - питающая сеть», а также по элементной базе. Приведены материалы по улучшению электромагнитной совместимости за счет применения управляемого выпрямителя с искусственной коммутацией, позволившей разгрузить питающую сеть от реактивной мощности.
Третья глава посвящена исследованию переходных процессов в асинхронных двигателях при частотном управлении турбомеханизмами для следующих режимов: при одновременном ступенчатом изменении напряжения и частоты; при изменении напряжения скачком и линейно изменяющейся частоте; при линейном изменении напряжения и частоты; частотный пуск; при ограничении момента, развиваемого двигателем; определение статической и динамической устойчивости.
Четвертая глава посвящена определению технико-экономических показателей регулируемых электроприводов турбомеханизмов. Проведен синтез системы управления асинхронного двигателя с короткозамкнутым двигателем при питании его от АИТ. Приведены методики определения эффективности частотно-регулируемого электропривода насосов.
В заключении приведены основные выводы по выполненной работе.
Асинхронный электропривод с регулированием напряжения на статоре двигателя
Оптимальные законы частотного управления являются не единственными, используемыми на практике. При определении номинальной мощности двигателя принятый закон регулирования скорости оказывает принципиальное влияние, так как от него зависит степень использования активных частей машины и, следовательно, нагрев в наиболее тяжёлом режиме, являющийся расчётным для определения мощности.
Для насосов наиболее оптимальной характеристикой является значение максимальной производительности при максимальной скорости и номинальном напряжении на статоре, когда ограничивается ток статора или суммарные потери в двигателе на уровнях, предусмотренных паспортными данными двигателя.
К настоящему моменту в мировой практике начинает широко использоваться частотно-управляемый асинхронный электропривод со стандартными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями общего применения. Это обусловлено появлением большого количества совершенных и относительно недорогих преобразователей частоты, построенных на современной элементной базе/37, 64, 78, 118, 125, 134/.
По прогнозам /112/ в ближайшие годы на Европейском рынке из общего числа продаваемых регулируемых приводов, электроприводы переменного тока составят 68%, а электроприводы постоянного тока составят 15%, остальная доля приходится на механические и гидравлические приводы. 1. Рассмотрев возможные варианты электроприводов для центробежных насосов и вентиляторов, видно, что для получения наибольшего технико-экономического эффекта при эксплуатации этих механизмов единствен-ным способом регулирования короткозамкнутых асинхронных электродвигателей является частотный метод регулирования, способный в наибольшей степени осуществлять экономически целесообразные режимы работы как в статических, так и в динамических режимах. 2. Оптимальными законами частотного регулирования следует считать: регулирование при постоянной перегрузочной способности и при постоянстве абсолютного скольжения или изменяемой перегрузочной способности. Для турбомеханизмов наиболее оптимальной характеристикой частотного управления является значение максимальной производительности (момента) при максимальной скорости и номинальном напряжении на статоре, когда ограничивается ток статора или суммарные потери в двигателе на уровне, предусмотренном паспортными данными двигателя. 4. Технологические особенности электроприводов турбомеханизмов позволяют считать их как объектно-ориентированные электроприводы, работающие в основном в статических режимах. 5. Широко рекламируемый ранее способ регулирования скорости колеса турбомеханизма с помощью тиристорных регуляторов напряжения возможен по условиям нагрева обмоток статора при скоростях менее половинной от синхронной. Параметрический способ может быть применён, когда требуется по технологии скорость либо номинальная, либо меньше половины синхронной (двухступенчатое регулирование).
Большинство применяемых в настоящее время частотно-регулируемых электроприводов наибольшие требования предъявляют к режимам стабилизации и плавного регулирования скорости в статических режимах. К этому классу относятся электроприводы насосов, вентиляторов и турбокомпрессоров. Освоение более совершенных преобразователей позволяет расширить диапазон регулирования скорости как вниз, так и вверх от номинальной скорости. Основным вопросом при этом является определение и реализация закона регулирования напряжения, тока статора, потока и абсолютного скольжения при произвольном изменении частоты и момента нагрузки. При выборе номинальной мощности двигателя принятый закон регулирования оказывает принципиальное влияние, так как от него зависит степень использования активных частей машины и, следовательно, нагрев в наиболее тяжёлом режиме, являющийся расчётным для определения мощности. Особый интерес в связи с этим приобретает определение законов регулирования, обеспечивающих режим максимально достижимого момента двигателя при ограничении тока статора, суммарных потерь в двигателе и напряжения на обмотках статора на уровнях, предусмотренных паспортными данными двигателя. Если выбранный тип двигателя обеспечивает режим максимума момента при соблюдении всех ограничений в наиболее тяжёлой точке режима нагрузочного механизма, где наступает максимум момента сопротивления, то возможности оптимизации статических режимов для снижения затрат на двигатель исчерпаны в пределах заданной серии двигателей и дальнейшее повышение эффективности привода следует искать при разработке новой серии с использованием тех же законов регулирования. Таким образом, определение и реализация в системе регулирования оптимальных законов на границе допустимой области управления является необходимым условием оптимизации асинхронного двигателя для частотного привода турбомеханизмов /64,52/.
Электромагнитная совместимость системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель при импульсной модуляции
Таким образом, от длины волны зависит критическая длина / кабеля. Кабель, длина которого соизмерима с длиной волны, считается «длинным кабелем». Критической считается длина кабеля, равная половине длины волны: 1кр12, при которой к обмоткам АД прикладываются импульсы напряжения, близкие к двойному напряжению Ud.
В работах /33, 70, 72/ показано, что распространение волны напряжения, поступающей на зажимы АД, носит характер затухающих колебаний. Под волновыми процессами следует понимать сложный комплекс физических явлений возникновения, распространения и быстрого изменения электромагнитного импульса вдоль цепи с распределенными параметрами (обмотка и магнитная система электрической машины).
Волновые процессы наиболее опасны для изоляции обмотки АД, так как в ней возникают значительные перенапряжения (до 1000 В при номинальном напряжении 400 В). При быстром нарастании напряженности электрического поля на фронте волны в изоляции машины возникают заметные диэлектрические потери. Увеличение несущей частоты ШИМ с целью улучшения энергетических показателей преобразователей частоты и приближения полезной составляющей выходного напряжения преобразователя к синусоиде также приводит к повышению вероятности возникновения перенапряжений и увеличению диэлектрических потерь. В результате этих процессов, к сожалению, с большим опозданием получен весьма печальный результат, когда срок службы изоляции АД сократился до 3 - 4 лет.
Что же касается формы тока, то состав высших гармоник на выходе АИН существенно хуже, чем на выходе АИТ, что вызывало на практике необходимость выбирать двигатель, питающийся от АИН на 1-2 ступени больше по мощности для исключения перегрева обмоток статора /112, 113/. Пути улучшения гармонического состава выходного тока АИН были очевидны -это методы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), прекрасно разработанные в теории, но плохо реализуемые на практике из-за отсутствия совершенных полностью управляемых приборов. Первым таким прибором стал IGBT, соединивший в себе достоинства биполярного и полевого транзисторов /11/. При этом разработчики преобразовательных схем прекрасно понимали, что конечной целью их работы является достижение электромагнитной совместимости преобразователя и двигателя. Казалось, ЮВТ-инвертор напряжения с ШИМ-управлением полностью решает эту задачу и «закрывает научный поиск» в области преобразователей частоты. Однако диалектика практического внедрения IGBT-инверторов оказалась сложнее. Методы ШИМ-управления, оказав благотворное влияние на выходной ток АИН и приблизив его к синусоиде, одновременно превратили ранее «безболезненную» для двигателя прямоугольную форму выходного напряжения в серию прямоугольных импульсов, следующих с высокой частотой и имеющих передний фронт высокой крутизны. Крайне негативное воздействие напряжения такой формы на изоляцию двигателя усугубляется проблемой «длинного кабеля». Наличие кабеля между преобразователем и двигателем приводит к тому, что на выводы двигателя поступает напряжение с пиками на фронтах, превышающими выходное напряжение инвертора, что также недопустимо для изоляции двигателя. Данные обстоятельства, вполне очевидные для любого разработчика электрических машин, в течение длительного времени «не рекламировались» потребителю. Этому имелось несколько причин. Во-первых, влияние на изоляцию двигателя имело временной характер, т.е. снижался срок службы двигателя, а пробой наблюдался не сразу, а через 3-5 лет эксплуатации. Во-вторых, первые IGBT-инверторы небольшой мощности часто можно было расположить близко к двигателю и свести к минимуму проблему длинной линии. В-третьих, очевидное средство улучшения качества выходного напряжения - LC или RLC - выходной фильтр, который хоть и являлся инородным элементом между преобразователем и двигателем, но для приборов малой мощности имел относительно небольшие размеры.
Необходимо рассмотреть два самостоятельных вопроса: высшие гармоники, генерируемые преобразователем в сеть (коэффициент искажений) и потребляемая из сети реактивная мощность (фактор «Cos p»), В ПЧ с АИТ сетевой преобразователь представляет собой управляемый (тиристорний) выпрямитель, работающий на сглаживающий дроссель большой индуктивности (рис. 2.5). В ПЧ с АИН сетевой преобразователь - это неуправляемый (диодный) выпрямитель, работающий на емкостный фильтр (рис. 2.6). Высшие гармоники тока, генерируемые сетевым выпрямителем ПЧ с АИТ в питающую сеть, относительно невелики, поскольку ступенчато-прямоугольная форма входного тока обеспечивает реальный коэффициент не ниже 0,96-0,97. При правильном выборе согласующего трансформатора в мощных преобразователях или при установке входного реактора в преобразователях средней мощности коэффициент искажения напряжения в точке подключения без дополнительных мероприятий не превышает нормируемое значение 5%.
Иная картина при работе ПЧ с АИН. Форма сетевого тока такого преобразователя в общем случае представляет несколько синусоидальных импульсов, возникающих при заряде емкости фильтра. Гармонический состав такого тока крайне неблагоприятен.
Частотный пуск турбомеханизмов, имеющих большие инерционные массы
В связи с медленно меняющимися режимами работы турбомеха-низмов по условиям эксплуатации определяющими факторами режима являются статические характеристики. 2. Для математического описания электромеханического состояния переходного процесса системы ПЧ-АД удобно для исследований использовать уравнение соответствующее разгону и замедлению, записанное по отношению к валу двигателя. 3. Тепловое состояние АД целесообразно характеризовать при постоянстве потока. 4. Наиболее характерными статическими режимами являются: - частотное регулирование АД при ступенчатом изменении напряжения на статоре; - поведение системы при линейном изменении напряжения и частоты. 5. Наибольшее проявление динамики привода происходит при пуске с большими инерционными массами; 6. Учет ступенчатого изменения напряжения при частотном управлении необходим при рассмотрении нештатных режимов питающей сети. Это напряжение может мгновенно уменьшаться при коротких замыканиях вне зоны защиты или при пуске крупных двигателей и остаточное напряжение не в состоянии обеспечить необходимый момент. В результате двигатель может опрокинуться при Мд Мс. При соответствующем снижении частоты динамическая устойчивость может быть обеспечена; 7. Частотное управление пуском механизмов, имеющих большие моменты инерции, позволяет резко снизить нагрев двигателя во время разгона, так как обеспечивается режим при более высоких энергетических показателях, чем при прямом пуске.
В теории электрических машин установлено, что вместо многофазной электрической машины переменного тока, у которой равны полные сопротивления фазных обмоток, можно исследовать двухфазную, эквивалентную ей машину переменного тока, которую называют обобщенной электрической машиной или обобщенным электрическим двигателем.
Обобщенный двигатель является упрощенной, идеализированной моделью реального двигателя, так как при его описании пренебрегают несинусоидальностью магнитодвижущих сил обмоток, связанных с зубчатостью магнитопроводов статора и ротора, считают, что магнитная цепь двигателя не насыщается, параметры обмоток являются сосредоточенными и отсутствуют потери мощности в магнитопроводе 166, 71,16, 93/.
Геометрические оси этих обмоток располагаются в плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора и совпадающей с пространственно — временной плоскостью, используемой в теории электрических машин для отображения на ней фазных величин двигателей переменного тока (токов напряжений, магнитных потоков и т.д.). На этой плоскости размещены две системы осей координат. Одна система координат с ортогональными осями fug привязана к геометрическим осям обмоток статора wf и wg, поэтомуявляется неподвижной системой координат. Другая система координат с ортогональными осями d и q привязана к геометрическим осям ротора wd и w, поэтому является вращающейся вместе с ротором системой координат.
Угловое положение этой системы координат на плоскости определяется углом поворота в, измеряемым между осями / и d. При этом угол в изменяется с угловой скоростью 0)д вращения ротора обобщенного двигателя относительно оси f (относительно статора) /161/.
Помимо названных систем координат используют еще одну систему координат с ортогональными осями D и Q (рис. 4.2), вращающуюся относительно неподвижных осей / и g со скоростью сох, и угловое положение оси D которой относительно оси / определяется углом в. Когда скорости сод и бУ, отличаются друг от друга, то между осями Dud образуется угол у» из_ меняющийся со скоростью сог=сох—соа.
Переход от реального многофазного двигателя к обобщенному двигателю переменного тока существенно упрощает математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии, происходящих при управлении скоростью или моментом двигателя.
Экспериментальная проверка эффективности применения частотно - регулируемого электропривода насосного агрегата
Из уравнений (4.15) и рис. 4.8 следует, что простейшие законы (4.14) частотного управления скоростью АД не могут обеспечить требуемого значения напряжения на статорных обмотках АД, поэтому нельзя получить удовлетворительные регулировочные и механические характеристики силовой части, построенной на базе АД с частотным управлением, для любых значений UQ (частот сох). При частотном управлении АД управление UQ изменяет частоту вращения сох нормированного вектора N. Это означает, что управление скоростью АД осуществляется по разомкнутой цепи, что и определяет основные недостатки этого способа управления.
Для получения у АД с частотным управлением приемлемых для построения регулируемого электропривода характеристик приходится значительно усложнять законы регулирования вектора напряжения А и приходится в силовую часть вводить дополнительные устройства, которые способствовали бы улучшению показателей электропривода. Двигатели переменного тока имеют несколько фазных обмоток. Для рассматривания такой многофазной силовой части с обобщенным двигателем вектора тока /, статора можно представить либо фазными (реальными) переменными if и ig (фазными токами статора), либо рассчитанными переменными /0 и iQ (рис. 4.3). Поэтому в усилителях тока силовых частей с АД в качестве сигналов обратной связи по току могут быть использованы как величины if и / , так и величины iD и iQ. Это обстоятельство определило применение в настоящее время двух основных, существенно отличающихся друг от друга видов функциональных схем силовых частей с АД. К первому виду относят силовую часть, функциональная схема которой содержит фазовые усилители тока с регуляторами тока, на выходы которых поступают сигналы, пропорциональные реальным переменным, т. е фазным токам if и / . Такая силовая часть получила название «силовая часть с регуляторами тока в неподвижных осях / и g». Ко второму виду относят силовую часть, в которой на входы регуляторов тока поступают сигналы, пропорциональные расчетным переменным iD и iQ вектора тока статора /,. Такая силовая часть получила название «силовая часть с регуляторами тока во вращающихся осях D и Q». В ряде работ силовую часть с регуляторами тока во вращающихся осях называют электроприводом с векторным управлением /16, 28, 50, 55/. Дальнейшее развитие эти системы получили под названием «трансвекторное» управление.
Примером выполнения системы векторного управления АД является работа /163/ (рис. 4.9). В способе управления асинхронным электроприводом, предложенном в /163/, рассматривается оптимизация векторного управления.
Смысл её заключается в поддержании постоянного угла между вектором тока статора и потокосцепления ротора близким к±л74, что позволяет снизить ток статора на 10% и суммарные потери на 15% при номинальной нагрузке. Поддержание этого оптимального угла осуществляется классическим способом посредством множества преобразований из одной системы координат в другую уравнениями Парка - Горева. Управление осуществляется формированием электромагнитного момента путем воздействия на синфазную и ор-тофазную составляющую тока. Название и физический смысл этих составляющих следует из проекций вектора тока статора на ось координат, неподвижную и синфазную вектору потокосцепления ротора, то есть проекция тока статора на вектор потокосцепления ротора называется синфазной составляющей, а проекция, перпендикулярная потокосцеплению ротора, - ортофаз-ной. Таким образом, синфазная составляющая формирует поток ротора, ор-тофазная - электромагнитный момент на валу. В режиме регулирования потокосцепления в диапазоне 0,4- Гиоц у/г 1,3-уГиомсоставляющие тока статора равны между собой, что соответствует оптимальному углу управления, равному +л74.
Электропривод переменного тока, предложенный /163/ (рис. 4.9), содержит АД 1, подключенный статорными обмотками к выходам импульсного преобразователя 2 тока, выполненный с управляющими входами для частоты и для ортогональных составляющих тока статора. Датчик 3 частоты вращения, установленный на валу АД 1, последовательно соединенные блок 4 задания скорости, элемент 5 сравнения и пропорционально-интегральный регулятор 6 скорости, при этом другой вход элемента 5 сравнения подключен к выходу датчика 3 частоты вращения. В электропривод переменного тока введен адаптивный регулятор 7 момента, выполненный с двумя входами и тремя выходами и снабженный блоком 8 управляемого ограничения, двумя блоками 9 и 10 деления, четырьмя блоками 11-14 нелинейности, двумя блоками 15-16 выделения модуля, апериодическим звеном 17 и двумя сумматорами 18 и 19.
Импульсный преобразователь 2 тока содержит преобразователь 20 аналоговый сигнал в код, выход которого соединен с входами двух постоянных программирующих запоминающих устройств 21 и 22. Выходы первого постоянного программирующего запоминающего устройства 21 соединены с цифровыми входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей 23 и 24. Выходы второго постоянного программирующего запоминающего устройства 22 подключены к цифровым входам третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей 25 и 26. Выходы четырех цифроаналоговых преобразователей подключены 23-26 к входам блока 27 сумматоров, три выхода которого через соответствующие узлы 28, 29 и 30 сравнения соединены с входами регуляторов тока 31, 32 и 33, выходы последних подключены к входам импульсного инвертора 34, три выхода которого через датчики 35, 36, 37 мгновенного фазного тока подсоединены к асинхронному двигателю 1 . Вход преобразователя 20 аналог-код и объединенные между собой попарно аналоговые входы цифроаналоговых преобразователей 23, 25 и 24, 26 образуют соответственно управляющие входы для частоты и для ортогональных составляющих тока статора импульсного преобразователя 2 тока.
