Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 62-83:621.313.3

энергоэффективная система скалярного управления электропривода с асинхронным двигателем

Пугачев А.А.

Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет

Разработана система скалярного управления с алгоритмом поиска минимума тока статора в установившемся режиме работы за счет введения дополнительного напряжения небольшой амплитуды в обмотку статора. Приведены результаты моделирования электропривода в Matlab для двигателя мощностью 11 кВт.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, ток статора, энергоэффективность, скалярное управление, экстремальное управление, Matlab

двигатель скалярный статор напряжение

Обзор современного состояния проблемы разработки регулируемых электроприводов с асинхронными двигателями [1, 2], показал, что из широкого разнообразия схем, реализующих плавное регулирование частоты вращения, наибольшее применение нашли схемы электроприводов с преобразователями частоты.

В данной работе приведены результаты синтеза поисковой система управления, настраивающаяся на работу с минимальным током статора. Выбор тока как критерия энергоэффективности обусловлен тем, что он легко непосредственно измерим с помощью датчиков и напрямую влияет на потери мощности и КПД. Структурная схема системы показаны на рис. 1. Здесь приняты обозначения: Us - напряжение, прикладываемое к обмотке статора, fs - частота тока обмотки статора, Uоп - опорное напряжение треугольной формы небольшой амплитуды, U - постоянное напряжение, Инв - инвертор (меняет знак напряжения U), ШИМ - широтно-импульсная модуляция, АИН - автономный инвертор напряжения, АД - асинхронный двигатель, is - ток обмотки статора, fТ - частота тактовых импульсов, 1/р - интегратор, Z-1 - элемент памяти, бв и abc- двухфазная и трехфазная соответственно неподвижные координатные системы. Для удобства система управления поделена на две части: система классического скалярного управления и система поиска минимума тока статора.

Рис.1. Система скалярного управления с поиском минимума тока статора

Рис. 2. Осциллограммы тактовых импульсов fT и опорного напряжения Uоп

Для проверки работоспособности такой системы был использован пакет Matlab Simulink.

При моделировании применялся вентиляторный момент сопротивления. На рис. 3, а, в, д, ж, и приведены результаты моделирования электропривода с асинхронным двигателем и управлением по закону Us/fs2 = const. На рис. 3, б, г, е, з, к приведены результаты моделирования электропривода с асинхронным двигателем и системой поиска минимума тока статора. Параметры асинхронного двигателя следующие: Uном = 220 В; Iном = 27 А; Рном = 11 кВт; 2рn = 4; nном = 1460 об/мин; Mном = 72 Нм; fном = 50 Гц; Xуs = 0,73 Ом; Rs = 0,34 Ом; Xм,ном = 31 Ом; Xм,хх = 43,8 Ом; Rc = 504 Ом; Xуr,пуск = 0,73 Ом; Xуr,ном = 1,68 Ом; Rr,пуск = 0,41 Ом, Rr,ном = 0,29 Ом, где Рном - номинальная мощность электродвигателя, 2рn - число полюсов обмотки статора, n - частота вращения вала ротора, Rs, Rr, Rс - сопротивления обмотки статора, ротора (приведенное к обмотке статора) и сопротивление, эквивалентное потерям в стали, соответственно Хуs, Хуr, Хм - индуктивные сопротивления рассеяния обмотки статора, ротора (приведенная к обмотке статора) и воздушного зазора соответственно, индекс ном относится к номинальному режиму работы, индекс пуск относится к пусковому режиму работы, индекс хх относится к режиму холостого хода. Нагрузка при пуске составляет М = 72 Нм, в момент времени t = 70 с нагрузка ступенчато изменяется до М = 20 Нм, в момент времени t = 110 с нагрузка ступенчато изменятся до М = 110 Нм. Частота тока статора fs = 15 Гц.

а б

в г

д е

ж з

И к

Рис. 3. Результаты моделирования электроприводов со скалярной системой управления (а, в, д, ж, и) и системой поиска минимума тока статора (б, г, е, з, к)

Анализ работы электропривода с управлением по закону Us/fs2 = const показывает, что при нагрузке М = 72 Нм (М = Мном) ток статора Is = 27,3 А, потери мощности ДР = 1356 Вт, КПД = 0,7354, амплитуда напряжения статора Us = 97 В; при нагрузке М = 20 Нм (М = 0.28Мном) ток статора Is = 8,08 А, потери мощности ДР = 106 Вт, КПД = 0,8987, амплитуда напряжения статора Us = 97 В; при нагрузке М = 110 Нм (М = 1.53Мном) ток статора Is = 44,59 А, потери мощности ДР = 3675 Вт, КПД = 0,585, амплитуда напряжения статора Us = 97 В.

Анализ работы электропривода с системой управления, настраивающейся на минимум тока статора, показывает, что при нагрузке М = 72 Нм (М = Мном) ток статора Is = 21,9 А, потери мощности ДР = 814,7 Вт, КПД = 0,8222, амплитуда напряжения статора Us = 116 В; при нагрузке М = 20 Нм (М = 0.28Мном) ток статора Is = 7,98 А, потери мощности ДР = 102,4 Вт, КПД = 0,9011, амплитуда напряжения статора Us = 91 В; при нагрузке М = 110 Нм (М = 1.53Мном) ток статора Is = 29,2 А, потери мощности ДР = 1463 Вт, КПД = 0,7798, амплитуда напряжения статора Us = 124,5 В.

Таким образом, моделирование подтвердило работоспособность разработанной системы управления и оптимизацию энергетических характеристик электропривода. Так, при моменте сопротивления, не равном номинальному, величина КПД за счет применения системы минимизации тока статора может быть увеличена на 20%, потери мощности - снижены на 50%. Очевидно, что система поиска минимума тока статора работоспособна во всем диапазоне изменения нагрузок, но при частотах вращения ниже номинальной, т.к при больших частотах увеличение напряжения неэффективно по причине насыщения магнитной цепи и может быть опасно из-за возможного пробоя изоляции. Применение предложенной системы управления обеспечивает поддержание минимума тока статора, в то время как частота вращения вала ротора незначительно меняется вследствие изменения напряжения. В тех случаях, когда это становится критичным для нагрузочного механизма, систему скалярного управления целесообразно дополнить датчиком и регулятором частоты вращения.

Список литературы

двигатель скалярный статор напряжение

1. Иньков, Ю.М. Оптимизация энергетических характеристик электропривода вспомогательных механизмов тягового подвижного состава [Текст] / Ю.М. Иньков, А.А. Пугачев // Электроника и электрооборудование транспорта, № 6 - 2016. - С. 43 - 47.

2. Космодамианский, А.С. Моделирование электропривода с асинхронным двигателем в режиме минимума мощности потерь [Текст] / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев / // Электротехника. - 2012. - № 12. - C. 26 - 31

Размещено на Allbest.ru