Аннотация
Титов Р.Г. Исследование возможности увеличения производительности в асинхронном электроприводе переменного тока. В работе доказана возможность увеличения мощности в асинхронном электроприводе переменного тока путем одновременного увеличения f и U. Также обоснована энергоэффективность предложенного метода для всей системы преобразователь частоты – асинхронный двигатель
Постановка задачи: За последние 200 лет активно развивается наука и техника. При этом технологические процессы стремительно усовершенствуются в лучшую сторону. Человечество всегда стремилось к чему – то лучшему. Ведь то, что было вчера – недостаточно для сегодня…
Совсем недавно, в 1887 году, ученые Галилео Феррарис и Никола Тесла внесли огромный вклад в развитие создания асинхронных двигателей. После чего ученые всего мира начали уделять внимание усовершенствованию асинхронных машин. Эти изобретения заложили крепкий фундамент массового промышленного применения электрических машин.
Благодаря асинхронному электроприводу (ЭП), практически все, технологические процессы на предприятиях становятся автоматизированными и не требуют для работы такого большого количества людей как раньше, причем скорость производства той или иной продукции во много раз растет. Использование асинхронного ЭП позволяет во много раз сократить бюджет компании, при этом получать высокую прибыль.
В последнее время большое внимание уделяется исследованию возможности увеличения мощности в асинхронном электроприводе переменного тока, что приводит к повышению потерь в электроприводе (ЭП) [1].
Поэтому данная статья посвящена актуальной научной задаче разработки возможных методов увеличения мощности в асинхронном ЭП с минимальными потерями энергии в ЭП.
Анализ источников: В диссертации разработан способ управления частотно – управляемым ЭП по принципу максимальной эквивалентной нагрузки (рис. 1, а) с учетом влияния других ЭП, которые связаны одним технологическим процессом.
Этот способ заключается в регулировании времени паузы самой критической с точки зрения перенагрузки ЭП путем ограничения на скорость взаимосвязанного ЭП в зависимости от его теплового состояния, который определяется с помощью тепловой модели.
В работе [1] установлено, что перегрузочная способность частотно – управляемого ЭП зависит от скорости вращения двигателя. При этом эта зависимость носит экстремальный характер. Максимальная перегрузочная способность достигается при скорости рядом с 0,75 номинальной в случае использования двигателя с самоохлождением.
Рисунок 1 — Механические характеристики асинхронного ЭП:
а) естественная (увеличение мощности за счет увеличения нагрузки на двигатель);
б) искусственная (увеличение мощности за счет регулирования скорости вверх от номинальной без ослабления поля)
В то же время, остаются неисследованными вопросы увеличения мощности за счет регулирования скорости вверх от номинальной без ослабления поля (рис. 1, б). В первую очередь, это связано с питаним двигателя, напряжением и частотой выше номинального значения. Это возможно, поскольку ПЧ может увеличивать частоту и амплитуду выходного напряжения выше номинального, в случае, если [2]:
— используется активный выпрямитель напряжения (АВН) с повышающим свойством, способным увеличивать напряжение в звене постоянного тока.
— при использовании перемодуляции в автономном инверторе напряжения (АИН).
В пером случае, мы имеем способность повысить напряжение в звене постоянного тока с 535 В до 600 В (рис. 2, а). Т.е. ПЧ оказывается недоиспользованным по напряжению в звене постоянного тока (приблизительно на 10%).
Тогда, при увеличении напряжения в звене постоянного тока, возможно увеличение напряжения на двигатель, также на 10%, что в свою очередь приведет к увеличению производительности электропривода, что необходимо и возможно использовать.
В схеме (рис. 2, б) при переходе в генераторный режим (рис. 2, а) возникает динамическая ошибка в регулировании Udс, сопровождающаяся увличением данной величины. Поскольку транзисторные модули жестко регламентируются по напряжению, в дальнейших исследованиях, планируется создание быстродействующей системы управления ЭП для уменьшения динамической ошибки в отработке заданного напряжения в звене постоянного тока. Для этого система должна быть астатичной к нагрузке или иметь минимальный статизм.
Рисунок 2 — Напряжение в функции времени Udc(t) асинхронного ЭП (а); ПЧ в звене постоянного тока (б)
Цель работы: Исследование возможности увеличения мощности асинхронного двигателя (АД) за счет регулирования скорости вверх от номинальной при постоянном магнитном потоке.
Задачи исследования:
1. Проанализировать влияние предложенных принципов регулирования напряжения и частоты на тепловое состояние АД.
2. Проанализировать влияние предложенных принципов регулирования напряжения и частоты на тепловое состояние транзисторных ключей.
3. Оценить изменение общего КПД системы.
Результаты исследований. При работе асинхронного двигателя происходит процесс преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию вращательного движения. Это преобразование, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии (рис.3), поэтому полезная мощность на выходе двигателя P2 всегда меньше мощности на выходе P1 на величину потерь мощности Р:
Рисунок 3 — Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
Потребляемая из сети активная мощность:
где m – количество фаз, U1 – напряжение на статорной обмотке, I1 – ток в статорной обмотке, cosf1 – коэффициент мощности двигателя.
В диссертации [1], напряжение не регулируется, мощность увеличивают с увеличением нагрузки на двигатель, при этом токи в статоре также увеличиваются, что в свою очередь приводит к быстрому нагреву двигателя, следовательно увеличению потерь мощности.
При одновременном увеличении f и U – увеличиваются только магнитные потери. Однако их увеличение на 2% (в о.е.) от общих потерь оказывает незначительное влияние на тепловое состояние двигателя, и может быть скомпенсировано в полной мере для двигателей с самовентиляцией [3]. Возможна также корректировка закона управления ПЧ – АД, предполагающая незначительное снижение магнитного потока, при котором магнитные потери будут постоянными. При этом возможно использовать двигатель с принудительной вентиляцией.
Можно сделать вывод, что реальный КПД двигателя увеличивается на 0.5 – 1 % (большие цифры соответствуют большим номинальным значениям КПД АД).
КПД АИН и АВН уменьшится за счет увеличения коммутационной составляющей потерь полупроводниковых приборов на 10% [6]. При этом напряжение на ключах не превысит паспортного значения 600В.
Потери проводимости полупроводниковых приборов [6], зависящие от выходного тока, при этом останутся неизменными у АИН, а у АВН увеличатся на 10% за счет увеличения тока сети, пропорционального выходной мощности АИН. Следовательно мощность АВН будет завышена, и выбирается по окончательной мощности АД.
Поскольку суммарные потери АИН и АВН составляют порядка 4% [6] от выходной мощности, следовательно, при увеличении напряжения на 10% общий КПД преобразователя уменьшится не более чем на 0.4%. При этом общий КПД системы преобразователь частоты — асинхронный двигатель не уменьшится.
Выводы
1. Доказана возможность увеличения мощности в асинхронном электроприводе переменного тока путем одновременного увеличения f и U.
2. Доказана энергоэффективность предложенного метода увеличения мощности.
3. Разработана быстродействующая система управления ЭП для уменьшения динамической ошибки в отработке заданного напряжения в звене постоянного тока.
4. Выполнено моделирование процессов в электроприводе.
Список использованной литературы
- Худолий С.С. Повышение эффективности работы частотного ЭП путем управления по максимально нагрузочной способностью: диссертация на получение научной степени кандидата технических наук / C.C. Худолий. – Днепропетровск: НГУ. – 2014. – 177 с.
- Шавьолкін О.О. Перетворювальна техніка: навчальний посібник / О.О. Шавьолкін, О.М. Наливайко; за загальною ред. канд. техн. наук, доц. О.О. Шавьолкіна. – Краматорськ: ДДМА, 2008. – 328с.
- Шрейнер Р.Т. Электромеханические и тепловые режимы асинхронного двигателя в системах частотного управления: Учебное пособие. / Р.Т. Шрейнер, А.В. Костылев. – Екатеринбург: 2008. – 360 с.
- Пивняк Г.Г. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией: Монография / Г.Г. Пивняк, А.В. Волков – Днепропетровск: НГУ, 2006. – 470 с.
- Шавьолкін О.О. Експериментальне визначення модуляційних втрат енергії в асинхронному двигуні / О.О. Шавьолкін, Д.М. Мірошник, В.В. Божко// Збірник наукових трудів «Гірнича електромеханіка та автоматика». – Дн-ськ: НГУ. – 2013. – вип. 91 – С. 25-29.
- Шавёлкин А.А. Расчет потерь мощности в силовых ключах преобразователя частоты с промежуточным импульсным преобразователем напряжения/ А.А. Шавёлкин, Д.Н. Мирошник// Наукові праці ДонНТУ. Серія «Електротехніка та Енергетика», випуск 98, Донецьк: ДонНТУ, 2005. – С.116-120.
- Онищенко Г.Б. Автоматизированный электропривод промышленных установок / Г.Б.Онищенко, М.И.Аксенов, В.П.Грехов, М.Н.Зарицкий, А.В.Куприков, А.И.Нитиевская; под. общей редакцией Г.Б.Онищенко. – М.: РАСХН, 2001. – 520 с.