Хороших Сергей Андреевич

Факультет: Електротехнический
Специальность: Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Тема выпускной работы:

Разработка и исследование энергосберегающих алгоритмов частотного управления асинхронным двигателем

Научный руководитель: к.т.н., доц., Чекавский Глеб Станиславович

Реферат по теме выпускной работы

• Актуальность
• Цели и задачи
• Научная новизна и практическая ценность

• В ДонНТУ
• В Украине
• В мире

Введение

Актуальность темы

Широкое использование регулируемых электроприводов привело к тому, что современный электропривод является не только энергосиловой основой, позволяющей обеспечить производственные механизмы необходимой механической энергией, но и средством управления технологическими процессами, так как задачи по реализации качества производственных процессов в настоящее время в большинстве случаев возлагаются на системы управления регулируемыми электроприводами в сочетании с системами технологической автоматики. В связи с возрастанием цен на энергоносители, в частности на электроэнергию, и ограниченными возможностями увеличения мощности энергогенерирующих установок проблема энергосбережения, в том числе снижения электропотребления, приобретает особую актуальность. Энергосбережение стало одним из приоритетных и актуальных направлений технической политики во всех развитых странах мира. Это связано, во-первых, с ограниченностью и невозобновляемостью основных энергоресурсов, во-вторых, с непрерывно возрастающими сложностями их добычи и стоимостью, в-третьих, с глобальными экологическими проблемами, обозначившимися на рубеже тысячелетий.

Цели и задачи

Цель работы - исследовать зависимость основных видов электромагнитных потерь в асинхронном двигателе (АД) от режима работы.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• разработка структурной схемы, учитывающей переменный характер параметров АД;
• вычисление с помощью модели основных видов электромагнитных потерь ;
• анализ величины потерь в зависимости от режима работы АД.

Научная новизна и практическая ценность

На сегодняшний день недостаточно работ, которые бы полностью и основательно раскрыли все вопросы, связанные с определением электромагнитных потерь и их учета при разработке энергоэффективного алгоритма управления АД.

Обзор исследований по теме

В ДонНТУ

Обзор по теме в ДонНТУ показал, что проводится большое количество исследований в области систем управления электроприводами переменного тока [1-3], а также рассматриваются вопросы моделирования этих систем [4].

В Украине

В пределах Украины учеными рассматриваются следующие вопросы в области современных электроприводов переменного тока:

1. Отображаются актуальные вопросы энергоэффективного управления средствами промышленного электропривода [5].
2. Изучение общих вопросов управления АД от преобразователей частоты с ШИМ [6].
3. Исследование и разработка систем векторного управления оптимизированных по энергопотреблению [7].

В мире

За пределами Украины можно выделить следующие изучаемые вопросы, которые касаются темы магистерской работы:

1. Основные сведения о наиболее распространенных классах современных систем регулируемых асинхронных электроприводов и их энергетических показателях [8].
2. Общие принципы, методы и средства энерго- и ресурсосбережения в электроприводе и средствами электропривода в обслуживаемых им технологических процессах [9].
3. Обзор режимов работы насосных и воздуходувных установок, способы их регулирования, а также особенности энергопотребления. [10]
4. Принципы построения автоматических систем управления электроприводами [11,12].
5. Основные вопросы связанные с моделированием электромеханических систем [13,14].

Основная часть

В данной работе в качестве объекта исследования рассматривается асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД), который в настоящее время имеет широкое распространение в нерегулируемом и регулируемом электроприводе. В общем случае суммарная мощность потерь в двигателе определяется [8]:

где ΔP1М, ΔP2М, ΔР1С, ΔР2С, ΔРДОП, ΔРМЕХ - потери в меди статора, ротора АД (греющие потери); потери в стали статора, ротора; дополнительные потери; механические потери соответственно.

В ряде случаев потери в полупроводниковом преобразователе, от которого питается асинхронный двигатель, могут оказаться существенными и требуется их учет. Тогда суммарные потери в электроприводе (ЭП) составляют:

где ΔРПР, ΔРЭП – потери мощности в силовом преобразователе энергии, суммарные потери мощности в ЭП соответственно.

В приведенной работе акцентируется внимание на электромагнитных потерях в двигателе.
Традиционные математические модели АД, основанные на уравнениях Парка – Горева, являются непригодными для оценки с их помощью большинства видов электромагнитных потерь, так как не учитывают потери в стали, эффекты насыщения магнитной системы и вытеснения тока в стержнях ротора, что в общем случае (особенно при большой мощности ЭП) может приводить к существенным погрешностям при расчете характеристик.
Известные математические модели либо учитывают только часть этих эффектов, например насыщение цепи намагничивания, либо настолько сложны, что плохо подходят для применения в задачах анализа и синтеза динамических процессов в асинхронном ЭП, в частности, при частотном регулировании.
В работе в качестве базовой принято математическое описание, приведенное в [15], которое, отличаясь относительной простотой, позволяет достаточно полно учитывать все основные виды электромагнитных потерь в АД как в установившихся, так и в переходных режимах работы ЭП.
При этом схема замещения АД представляется в виде, показанном на рис.1

где Rs, Rr=f(fr), Lsσ=f(Is), Lrσ=f(Is, fr), Lm;=f(Ψm), Rec, Lec - активные сопротивления фаз статора и ротора; индуктивности рассеяния статора и ротора; индуктивность взаимоиндукции; эквивалентные активное сопротивление и индуктивность контура потерь в стали от вихревых токов соответственно. Потери в стали от гистерезиса учитываются дополнительной составляющей Ih.

Разработка модели и исследование отдельных видов потерь в АД выполнены в среде программного пакета Matlab/Simulink на примере АД типа 4А250S4У3 (75 кВт, 380 В, 135.8 А, 1500 об/мин.).

В ходе исследований были получены переходные характеристики АД при различных законах частотного управления и различным моментом нагрузки. В качестве примера проиллюстрированы переходные процессы момента, скорости, токов статора и ротора при частотном пуске за 1.5 с.

На рис.3 приведена схема модельного эксперимента для расчета основных видов электромагнитных потерь в АД на основе его описания в синхронной системе координат статора x, y при прямом пуске АД и при скалярном частотном регулировании. Модель позволяет производить выбор необходимого закона частотного управления и проанализировать характер влияния переменных параметров двигателя на его работу.

В качестве примера на рис.4 (все величины указаны в физических единицах) представлены графики зависимостей основных видов электромагнитных потерь в АД, полученные в результате исследования снижения энергопотребления при частотном пуске по закону U/f=const. Значения энергии потерь, выделившейся за время пуска (за время достижения скоростью 5%-го отклонения от заданного номинального значения) указаны в функции заданной продолжительности разгона (tp = 0…1 с) и значения момента статического сопротивления на валу АД (Мc = 0…Мн), где Мн – номинальный момент двигателя.

а

б

Рисунок 4 - Диаграммы суммарной энергии электромагнитных потерь в АД (а) и ее составляющих (б) при частотном пуске АД по закону U/f=const

Заключение

Проанализировав полученные результаты, отметим:

• уточненная модель является более адекватней, что главным образом определяются влиянием эффектов вытеснения тока ротора, насыщения магнитной системы основным магнитным потоком и потоками рассеяния;
• основной вклад в суммарную энергию потерь вносят электрические (греющие) потери в обмотках статора и ротора, а потери в стали (энергии потерь от вихревых токов и от гистерезиса) относительно невелики;
• наблюдается снижение величины потерь при переходе от прямого пуска (tp=0) к частотному при разной загрузке двигателя.

Дальнейшие задачи

• исследовать энергетические показатели работы привода в установившихся режимах;
• проанализировать полученные результаты и разработать энергоэффективный алгоритм управления приводом;
• произвести опытный эксперимент подтверждающий полученные результаты

Литература

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.

---

ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ || Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Индивидуальный раздел