Анализ условий эффективной работы электропривода в системе управления асинхронным двигателем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Повышение эффективности производственных процессов предприятий на основе систем управления электродвигателями предъявляет высокие требования к качеству функционирования электромеханических систем, являющимся основным звеном обеспечения оптимального рабочего процесса конкретных машин и механизмов, входящих в определенную технологическую структуру. Выполнению этих требований способствует автоматизированный электропривод, с помощью которого можно осуществить плавное и широкое регулирование скорости исполнительного механизма, обеспечить оптимальные технологические режимы и повысить энергетическую эффективность его работы [1].

При всем многообразии существующих на данный момент алгоритмов управления асинхронным электроприводом переменного тока, представляющих собой развитие и совершенствование классических принципов теории автоматического управления, и большое количество вариантов аппаратной реализации существуют определенные типовые решения, применяемые большинством производителей. Управление работой двигателя возможно различными способами, однако, в большинстве современных электроприводов переменного тока для решения разного рода задач регулирования используется в основном частотное управление как наиболее эффективный способ из всех возможных [2].

Структура преобразователей частоты и выполняемые ими функции максимально унифицированы и стандартизированы. При этом регулируемый электропривод в рассматриваемой системе управления ПЧ-АД также как и любой другой регулируемый электропривод решает две основные задачи [3,4]: управление моментом электродвигателя и управление скоростью его вращения. Необходимость регулирования момента определяется техническими и технологическими требованиями, предъявляемыми к электроприводу. Управление скоростью вращения обусловлено различными технологическими режимами работы производственных механизмов.

Исследуемая в работе система управления ПЧ-АД с автономным инвертором напряжения на базе существующего учебного лабораторного комплекса [5] создана на основе линеаризованной замкнутой системы ПЧ-АД с обратной связью по скорости, схема соединений которой представлена на рис. 1.

Для любого из заданных режимов можно задать условие нагружения, состояния и (или) управления. Координаты и параметры электропривода в соответствии с рассматриваемой схемой управления изменяются в статическом режиме. Определение скорости, тока якоря и момента двигателя осуществляется путем сканирования их зависимостей от времени с помощью цифровых индикаторов. Механическая характеристика двигателя определяется в начале и конце интересующего временного интервала работы электропривода.

Рисунок 1 - Электропривод системы управления ПЧ-АД с обратной связью по скорости: ИП МПТ - источник питания машины постоянного тока, ДТ ДН - блок датчиков тока и напряжения, ПС - преобразователь сигналов, ИП -трехфазный источник питания, ПЧ - преобразователь частоты, M1 - универсальная машина переменного тока (200 Вт, 230 В ~, 1500 об/мин)

Как в процессе работы, так и при расчете устанавливаемая в приводе нагрузка определяет скольжение (скорость) двигателя. Из всех переменных, необходимых для расчета любого параметра нагрузки, основные аргументы - напряжение и частота оказываются заданными, т. е. известными, неизвестной переменной является скольжение.

Для того, чтобы оценить возможности энергосберегающего режима при управлении нужно проанализировать и задать работу двигателя при установившемся режиме таким, чтобы при заданном моменте нагрузки и заданной скорости ротора получить значения частоты и амплитуды напряжения, при которых обеспечивается минимум потерь в двигателе. При фиксированной скорости и неизменном моменте механическая мощность не меняется, поэтому минимум потерь соответствует минимуму потребляемой мощности и максимуму КПД двигателя [6].

Получение аналитического выражения для амплитуды и частоты напряжения затруднено из-за сложности системы уравнений асинхронного электропривода, поэтому можно воспользоваться результатами численного метода - решение уравнений без учета возможного изменения параметров схемы замещения [7]. В этом случае алгоритм решения будет выглядеть следующим образом:

1) устанавливаем определенный момент нагрузки Мс и угловую скорость щ;

2) задаем согласованное с частотой f1 питания значение напряжения U1, приложенного к двигателю;

3) численно находим такую скорость щ0, которая при расчете дает равенство электромагнитного момента и момента нагрузки М=Мс;

4) рассчитываем суммарные потери энергии в двигателе Р;

5) определяем точку с минимумом потерь энергии и все параметры, соответствующие этой точке.

Результаты исследования по данному алгоритму для рассматриваемой универсальной машины переменного тока, с номинальной установленной мощностью Рном = 0,2 кВт приведены на рис. 2.

Анализ кривых показывает, что потери в двигателе зависят как от частоты вращения, так и от момента нагрузки: при увеличении момента нагрузки и уменьшении скорости возможности уменьшения потерь снижаются. При нагрузках близким к номинальным уменьшение частоты вращения приводит к увеличению суммарных потерь по сравнению с номинальными. При моменте нагрузки меньше номинального и щ=щном можно сэкономить порядка 15% энергии. При скоростях меньше номинальных нагрузку целесообразно снижать, например, при щ < 0,5щном увеличение потерь наименее заметно, если момент сопротивления Мс < 0,6 Мном.

При невысоких нагрузках суммарные потери в двигателе с уменьшением частоты уменьшаются, а при нагрузках близких к номинальным характер поведения суммарных потерь в двигателе меняется. В этих случаях с уменьшением частоты суммарные потери в двигателе начинают увеличиваться за счет увеличения потерь в меди обмоток статора и ротора, несмотря на то, что потери в стали и механические потери уменьшаются. Дальнейшее уменьшение скорости приводит к значительным потерям, так, например, при скорости щ=0,2щном и перегрузке двигателя на 10 % суммарные потери в нем увеличиваются в 2 раза.

Рисунок 2 - Характеристики суммарных потерь при заданных скоростях и при фиксированных значениях момента

электропривод переменный ток

Оценку эффективности существующих систем автоматического управления ПЧ-АД с обратной связью по скорости, расчетов и последующего анализа режимов работы АД и электроприводов на их основе следует проводить с учетом выражений зависимостей скольжения (скорости) от параметров управления (частоты или напряжениия), от параметров состояния (потока или тока), а в расчетных режимах - от параметров нагрузки (режимов его работы). Для решения проблемы энергосбережения требуется разработка алгоритма функционирования асинхронного электропривода с оптимальным управлением из условия минимума потерь мощности, минимума потребляемой мощности и максимума коэффициента полезного действия.

Список литературы

1. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов / В.М. Терехов, О.И. Осипов - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 304 с.

2. Ключев В.И. Теория электропривода / В.И. Ключев - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.

3. Богданов Д.М. Применение преобразователей частоты для управления электроприводами.

4. Касымова А.Е. Исследование нелинейной системы «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» // Технические науки: теория и практика: материалы III Междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2016 г.). - Чита: Издательство Молодой ученый, 2016. -- С. 72-77.

5. Галишников Ю.П. и др. Руководство по выполнению базовых экспериментов «Основы электропривода» / Ю.П. Галишников, А.Н. Садовников, П.Н. Сенигов - Челябинск: ЮУрГУ, 1999. - 127 с.

6. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.

7. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов / В.М. Терехов, О.И. Осипов - М.: Издательский центр, «Академия», 2006. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru