Хороших Сергій Андрійович

Факультет: Електротехнічний
Спеціальність: Електромеханічні системи автоматизації та електропривод

Тема випускної роботи:

Розробка та дослідження енергозберігаючих алгоритмів частотного керування асинхронним двигуном

Науковий Керівник: к.т.н., доц., Чекавський Гліб Станіславович

Реферат з теми випускної роботи

• Актуальність
• Цілі і завдання
• Наукова новизна і практична цінність

• У ДонНТУ
• В Україні
• У світі

Введение

Актуальність теми

Широке використання регульованих електроприводів призвело до того, що сучасний електропривод є не тільки енергосиловою основою, що дозволяє забезпечити виробничі механізми необхідної механічною енергією, але й засобом управління технологічними процесами, так як завдання з реалізації якості виробничих процесів в даний час у більшості випадків покладаються на системи управління регульованими електроприводами в поєднанні з системами технологічної автоматики. У зв'язку із зростанням цін на енергоносії, зокрема на електроенергію, і обмеженими можливостями збільшення потужності енергогенеруючих установок проблема енергозбереження, у тому числі зниження електроспоживання, набуває особливої актуальності. Енергозбереження стало одним із пріоритетних та актуальних напрямків технічної політики у всіх розвинених країнах світу. Це пов'язано, по-перше, з обмеженістю і невозобновляемостью основних енергоресурсів, по-друге, з безперервно зростаючими складностями їх видобутку та вартістю, по-третє, з глобальними екологічними проблемами, помітне на рубежі тисячоліть.

Цілі і завдання

Мета роботи - дослідити залежність основних видів електромагнітних втрат в асинхронному двигуні (АТ) від режиму роботи.
Для досягнення цієї мети були поставлені наступні завдання:

• розробка структурної схеми, яка враховує змінний характер параметрів АД;
• обчислення за допомогою моделі основних видів електромагнітних втрат;
• аналіз величини втрат залежно від режиму роботи АД.

Наукова новизна і практична цінність

На сьогоднішній день недостатньо робіт, які б повністю і грунтовно розкрили всі питання, пов'язані з визначенням електромагнітних втрат і їх врахування при розробці енергоефективного алгоритму управління АД.

Огляд досліджень по темі

У ДонНТУ

Огляд по темі в ДонНТУ показав, що проводиться велика кількість досліджень в галузі систем управління електроприводами змінного струму [1-3], а також розглядаються питання моделювання цих систем [4].

В Україні

У межах України вченими розглядаються наступні питання в галузі сучасних електроприводів змінного струму:

1. Відображаються актуальні питання енергоефективного управління засобами промислового електропривода [5].
2. Вивчення загальних питань управління АД від перетворювачів частоти з ШІМ [6].
3. Дослідження та розробка систем векторного керування оптимізованих по енергоспоживанню [7].

У світі

За межами України можна виділити наступні досліджувані питання, які стосуються теми магістерської роботи:

1. Основні відомості про найбільш поширені класах сучасних систем регульованих асинхронних електроприводів і їх енергетичних показниках [8].
2. Загальні принципи, методи і засоби енерго-і ресурсозбереження в електроприводі й засобами електропривода в обслуговуваних їм технологічних процесах [9].
3. Огляд режимів роботи насосних і повітродувних установок, способи їх регулювання, а також особливості енергоспоживання [10].
4. Принципи побудови автоматичних систем керування електроприводами [11,12].
5. Основні питання пов'язані з моделюванням електромеханічних систем [13,14].

Основна частина

У даній роботі в якості об'єкта дослідження розглядається асинхронний двигун з короткозамкненим ротором (АД), який в даний час має широке поширення в нерегульованому і регульованому електроприводі. У загальному випадку сумарна потужність втрат у двигуні визначається [8]:

де ΔP1М, ΔP2М, ΔР1С, ΔР2С, ΔРДОП, ΔРМЕХ -втрати у міді статора, ротора АД (гріючі втрати); втрати в сталі статора, ротора; додаткові втрати, механічні втрати відповідно.

У ряді випадків втрати в напівпровідниковому перетворювачі, від якого живиться асинхронний двигун, можуть виявитися істотними і потрібно їх облік. Тоді сумарні втрати в електроприводі (ЕП) складають:

де ΔРПР, ΔРЕП – втрати потужності в силовому перетворювачі енергії, сумарні втрати потужності в ЕП відповідно.

У наведеній роботі акцентується увага на електромагнітних втрати у двигуні.
Традиційні математичні моделі АД, засновані на рівняннях Парку - Горєва, є непридатними для оцінки з їх допомогою більшості видів електромагнітних втрат, так як не враховують втрати в сталі, ефекти насичення магнітної системи і витіснення струму в стержнях ротора, що в загальному випадку (особливо при великої потужності ЕП) може приводити до істотних погрішностей при розрахунку характеристик.
Відомі математичні моделі або враховують лише частину цих ефектів, наприклад насичення ланцюга намагнічування, або настільки складні, що погано підходять для застосування в задачах аналізу і синтезу динамічних процесів в асинхронному ЕП, зокрема, при частотному регулюванні.
У роботі в якості базової прийнято математичний опис, наведене в [15], яке, відрізняючись відносною простотою, дозволяє досить повно враховувати всі основні види електромагнітних втрат у АТ як в сталих, так і в перехідних режимах роботи ЕП.
При цьому схема заміщення АД представляється у вигляді, показаному на рис.1

де Rs, Rr=f(fr), Lsσ=f(Is), Lrσ=f(Is, fr), Lm;=f(Ψm), Rec, Lec - активні опори фаз статора і ротора; індуктивності розсіювання статора і ротора; індуктивність взаємоіндукції; еквівалентні активний опір і індуктивність контуру втрат в сталі від вихрових струмів відповідно. Втрати в сталі від гістерезису враховуються додаткової складовоїIh.

Розробка моделі і дослідження окремих видів втрат в АТ виконан-оцінені в середовищі програмного пакету Matlab / Simulink на прикладі АТ типу 4А250S4У3 (75 кВт, 380 В, 135.8 А, 1500 об / хв.).

Розробка моделі і дослідження окремих видів втрат в АТ виконані в середовищі програмного пакету Matlab / Simulink на прикладі АТ типу 4А250S4У3 (75 кВт, 380 В, 135.8 А, 1500 об / хв.).

В ході досліджень були отримані перехідні характеристики АД при різних законах частотного керування і різним моментом навантаження. Як приклад проілюстровані перехідні процеси моменту, швидкості, струмів статора і ротора при частотному пуску за 1.5 с.

На рис.3 наведена схема модельного експерименту для розрахунку основних видів електромагнітних втрат у АД на основі його опису в синхронної системі координат статора x, y при прямому пуску АД і при скалярному частотному регулюванні. Модель дозволяє проводити вибір необхідного закону частотного керування і проаналізувати характер впливу змінних параметрів двигуна на його роботу.

Як приклад на рис.4 (всі величини вказані в фізичних одиницях) представлені графіки залежностей основних видів електромагнітних втрат у АД, отримані в результаті дослідження зниження енергоспоживання при частотному пуску за законом U/f = const. Значення енергії втрат, що виділилася за час пуску (за час досягнення швидкістю 5%-го відхилення від заданого номінального значення) вказані у функції заданої тривалості розгону (tp = 0 ... 1 с) і значення моменту статичного опору на валу АД (Мс = 0 ... Мн), де Мн - номінальний момент двигуна.

а

б

Рисунок 4 - Діаграми сумарної енергії електромагнітних втрат у АД (а) і її складових (б) при частотному пуску АД за законом U/f = const

Висновок

Проаналізувавши отримані результати, зазначимо:

• уточнена модель є більш адекватним, що головним чином визначаються впливом ефектів витіснення струму ротора, насичення магнітної системи основним магнітним потоком і потоками розсіювання;
• основний внесок у сумарну енергію втрат вносять електричні (гріючі) втрати в обмотках статора і ротора, а втрати в сталі (енергії втрат від вихрових струмів і від гістерезису) відносно невеликі;
• спостерігається зниження величини втрат при переході від прямого пуску (tp = 0) до частотного при різній завантаженні двигуна.

Подальші завдання

• дослідити енергетичні показники роботи привода в сталих режимах;
• проаналізувати отримані результати і розробити енергоефективний алгоритм управління приводом;
• виконати дослід, що підтверджує отримані результати

Література

1. Шавелкин А.А. Энергосберегающий высоковольтный преобразователь частоты с прямым управлением асинхронным двигателем / Шавелкин А.А., Сажин В.А., Прокопенко И.В. // Науково-практична конференція "Донбас 2020: наука і техніка - виробництву", 5-6 лютого 2002 р., Донецьк. http://nich.donntu.ru/konf/konf4/sek_04_energetika/s04_15.pdf
2. Борисенко В.Ф. Автоматизированный электропривод переменного тока механизма вращения металлоформы машины для центробежного литья чугунных труб / Борисенко В.Ф., Войтенко Е.Е., Чекавский Г.С., Борисенко И.В. // Науково-практична конференція "Донбас 2020: наука і техніка - виробництву", 5-6 лютого 2002 р., Донецьк.http://nich.donntu.ru/konf/konf4/sek_04_energetika/s04_16.pdf
3. Библиографический указатель опубликованных работ профессорско-преподавательского состава донецкого национального технического университета (1990-1997г.г.) http://library.donntu.ru/bioukaz/bibliografiya_dntu_1990_1997_2.html#m3
4. Толочко О.И., Чекавский Г.С. Моделирование систем электропривода переменного тока. Лабораторный практикум. http://www.twirpx.com/file/71461/
5. Закладний О.М., Праховник А.В., Соловей О.І. Е 65 Енергозбереження засобами промислового електропривода: Навчальний посибник. - К. Кондор, 2005 - 408 с.
6. Півняк Г.Г., Бешта О.С., Балахонцев О.В., Худ олій С.С. Дискретна модель частотно-регульованого асинхронного електропривода для задач ідентифікації // Вісник НТУ «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний збірник наукових праць «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика». – Харків: НТУ «ХПІ», 2003, №10, т.1 – С. 34-36.
7. Андрющенко О.А., Шевченко С.Б. Улучшение энергетики асинхронного электропривода с векторным управлением // Вісник НТУ «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний збірник наукових праць «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика». – Харків: НТУ «ХПІ», 2005, №45 – С. 394-395.
8. Браславский И. Я.Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков; под ред. И.Я. Браславского. - М. : ИЦ «Академия», 2004. - 256 с.
9. Ильинский Н.Ф. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н.Ф. Ильинский, В.В. Москаленко. – М.: Издательский центр «Академия», 2008-208с.
10. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосах и воздуходувных установках. – М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с. ил.
11. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. Пособие для вузов- Л.: Энергоиздат. Ленингр. Отд-ние, 1982-392 с., ил.
12. Системы управления электроприводами : Учеб. Пособие/ А.П.Голубь.Б.И.Кузнецов,И.А.Опрышко,В.П.Соляник – К.: УМК ВО, 1992. – 376с.
13. Моделювання електромеханічних систем: Підручник / Чорний О.П.,Луговой А.В., Родькин Д.Й., Сисюк Г.Ю., Садовой О.В.-Кременчук, 2001.-376с.
14. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие.-Спб: КОРОНА принт,2001.-320с., ил.
15. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008. – 298 с.

---

Про автора