ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

4.2.1. Кинематически связанные электроприводы

В гл. 3 было показано, что постоянные потери асинхронного электропривода не зависят от его нагрузки и остаются практиче­ски неизменными при неизменной скорости. Вместе с тем пере­менные потери, к которым отнесены потери в меди статора и ротора, зависят от нагрузки. Имеется большое число механизмов, в которых нагрузка электропривода зависит от характеристик ме­ханизма, на которые можно повлиять в процессе проектирова­ния, наладки и даже эксплуатации.

В качестве примера рассмотрим многодвигательные электро­приводы таких механизмов, как рольганги, механизмы перемеще­ния крана, поворота платформы экскаватора, различных транспорт­ных машин и т. д. Достаточно часто электроприводы механизмов выполняют двух - или многодвигательными для уменьшения их
момента инерции, что позволя­ет улучшить динамику процес­сов. Во всех этих механизмах ско­рость двигателей, как правило, одинакова, а распределение ста­тической нагрузки, если не при­няты специальные меры, оказы­вается неравномерным.

Причиной неравномерной нагрузки двигателей обычно яв­ляется незначительное отличие механических статических харак­теристик двигателей. Нарис. 4.1. представлены механические ха­рактеристики двух одинаковых асинхронных двигателей при питании их от сети. При одина­ковой частоте вращения момен­ты двигателей соответственно

для АД № 1 и АД № 2 определяются выражениями:

Mcl — -^с. ср ATWg, A/q2 -^с. ср

где ЛГс. ср — среднее значение статического момента, Мс ср = (Мс] + + Мс2)/2; АМс — отклонение статического момента от среднего.

Очевидно, что аналогичная картина будет наблюдаться и в ре­гулируемых электроприводах. Причиной этого является как раз­брос параметров отдельных двигателей, так и различие в настройках систем управления. Оценим влияние неравномерности деления нагрузок на потери энергии в двигателе.

Переменные потери энергии в двигателе (потери в меди стато­ра и ротора) можно выразить через механические переменные:

APM = Mu0S(l +а), (4.1)

где а = Ri/R'2.

Так как работа двигателя в двигательном режиме происходит на линейном участке механической характеристики, то скольжение двигателя можно достаточно точно выразить через его момент:

М

(4.2)

No ’

где (3 — жесткость линейного участка механической характеристики, Р = ^номА^о*$ном*

Тогда

(4.3)

= 0,72ДРМ ном = 0,49ДРНом=0,956 кВт, а в двигателе с меньшей нагруз­кой В СООТВеТСТВИИ С формулой (4.6) ДРМ(2) = 0,32ДРМ ном = 0,09ДРцом = = 0,176 кВт.

Суммарные потери в двух двигателях ДPuZ = 0,58 ДРМ Н0М =1,131 кВт.

При равномерном делении нагрузки АРм1_ = 0,5ДРМ НОМ = 0,975 кВт.

Дополнительные потери в меди при неравномерном делении нагрузки ДРм2;доп = 0,08ДРМ НОМ = 0,156 кВт.

Если АМС = 0,5Мнои, то дополнительные потери в меди обоих двигателей возрастут до величины ДРм5;доп = 0,5ДРМ ном = 0,975 кВт.

На первый взгляд экономия энергии за счет выравнивания нагрузок этих двигателей незначительна, но следует учесть два обстоятельства. Во-первых, затраты на выравнивание нагрузок двигателей, как правило, невелики. Так, в случае использования двигателей с фазным ротором это может быть сделано за счет небольшого изменения дополнительных сопротивлений в цепи ротора. В системах ТПН—АД и ППЧ—АД это потребует более тщательной настройки регуляторов электроприводов и более то­чного формирования сигналов заданий на электроприводы. Во - вторых, при массовом использовании таких электроприводов сум­марная экономия энергии может быть ощутимой.

Аналогичные рекомендации могут быть даны и для главных электроприводов многоклетьевых прокатных станов, намоточно­размоточных устройств, в которых технологический процесс про­исходит с определенным натяжением обрабатываемого материала. Очевидно, что работа таких электроприводов с минимально не­обходимым натяжением сопровождается уменьшением потерь в двигателях.

4.2.2. Режимы энергосбережения в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями

Некоторые современные полупроводниковые преобразователи (ТПН и ППЧ) в виде дополнительной функции содержат так называемый режим энергосбережения. Рассмотрим возможности этого режима на примере преобразователя частоты со скалярным управлением.

В гл. 3 было показано, что средством дополнительного энерго­сбережения при частотном управлении асинхронным двигателем является разработка такого алгоритма управления, который оп­тимизировал бы магнитный поток. Оптимизация магнитного по­тока позволяет несколько снизить потребляемую мощность путем снижения уровня напряжения при работе в установившемся ре­жиме. В переходных режимах следует использовать регулирование с номинальным потоком, так как работа с оптимальным по усло­виям энергосбережения магнитным потоком связана с существен­ным уменьшением перегрузочной способности двигателя, что не позволяет достичь необходимого динамического момента.

Для того чтобы оценить эффективность оптимизации магнит­ного потока, можно воспользоваться схемой замещения асин­хронного двигателя (см. рис. 1.2) для анализа установившихся ре­жимов работы АД. Задача заключается в том, чтобы при заданном моменте нагрузки и заданной скорости ротора определить такие значения частоты и амплитуды напряжения, при которых обеспе­чивается минимум потерь в двигателе. Так как при фиксирован­ных моменте и скорости механическая мощность не изменяется, то минимум потерь соответствует минимуму потребляемой мощ­ности и максимуму КПД двигателя. Получение аналитического выражения для амплитуды и частоты напряжения затруднено из - за сложности системы уравнений асинхронного электропривода, которая включает векторные величины и комплексные сопротив­ления, зависящие от скольжения и скорости вращения магнитно­го поля. Вместо этого приведем результаты численного решения этих уравнений без учета возможного изменения параметров схе­мы замещения. Алгоритм решения выглядит следующим образом:

• задается момент нагрузки Мс и угловая скорость со;

• задается действующее значение напряжения Ub приложен­ного к двигателю;

• численно находится такая скорость со0, которая при расчете электромагнитного момента М дает результат М - Мс;

• рассчитываются суммарные потери энергии в двигателе;

• в процессе расчета определяется точка с минимумом потерь энергии и все параметры, соответствующие этой точке.

Проанализируем некоторые результаты моделирования по указан­ному алгоритму для двигателя типа 4A160S2, имеющего Рнш = 15 кВт. На рис. 4.2 показаны зависимости потерь от амплитуды напряже­ния и моментов нагрузки при со = соном (а) и со = 0,5соном (б). Как видно на рис. 4.2, а, возможность снижения потерь имеется лишь при моментах сопротивления Мс < 0,6Мном. Очевидно, что при снижении скорости диапазон моментов нагрузки, в котором целесо­образно снижать напряжение, уменьшается (см. рис. 4.2, б). В этом случае не рассматривается возможность увеличения напряжения, так как оно приведет к насыщению магнитной цепи.

Возможности экономии потребляемой мощности при различных скоростях и моментах двигателя типа 4A160S2 сведены в табл. 4.1, а на рис. 4.3 показана диаграмма, наглядно иллюстрирующая эконо­мию потребляемой мощности в зависимости от скорости и мо­мента статической нагрузки двигателя типа 4A160S2. Очевидно, что возможности экономии снижаются при увеличении момента нагрузки и уменьшении скорости. В точке Мс = 0,05Мном, со =соном можно дополнительно сберечь 3,6 % номинальной мощности. Если сравнить мощность, потребляемую в данном режиме до и после

1.4

6 Браслапский

введения оптимизации, то полученная экономия составит 40 %. Однако выражение экономии потребляемой мощности в процен­тах от номинальной мощности дает более наглядное, не завися­щее от рабочей точки, представление о возможном эффекте.

Аналогичные расчеты были проведены для двигателя типа 4А80А4, имеющего Рном =1,1 кВт. В точке Мс = 0,05Мном, со =соном можно сэкономить до 13 % номинальной мощности. При расчете в

этой же точке для двигателя типа 4АН250М4 (Рном =110 кВт) полу­чено 2,4 % экономии. Это подтверждает известный факт увеличе­ния эффективности энергосберегающего режима с уменьшением мощности двигателя.

Энергосберегающий режим может быть осуществлен следу­ющими способами:

1) поддержанием постоянства coscpb

2) поддержанием постоянного скольжения;

3) управлением с использованием модели двигателя;

4) с помощью поисковых алгоритмов.

Перечисленные способы оптимизации, кроме последнего, ис­пользуют информацию о параметрах двигателя, которая, как пра­вило, неизвестна. Загружать систему скалярного управления зада­чами идентификации не представляется целесообразным. Поэто­му наиболее надежным и независимым от свойств конкретного объекта управления методом оптимизации являются поисковые алгоритмы, которые при расчете используют только значения то­ков и напряжений.

В этом случае оптимальный режим достигается путем миними­зации потребляемой мощности, рассчитанной по формуле

Рі = Зі/^совф!. (4.9)

В процессе работы система управления итеративно (ступенча­то) изменяет уровень напряжения для отыскания точки мини­мального энергопотребления. Критерием поиска может также слу­жить максимум соБф! или минимум потребляемого тока [74]. Оты­скание максимума соБф! не дает преимуществ перед минимиза­цией мощности с точки зрения вычислительной сложности, так как cos ф рассчитывается также через векторы тока и напряжения. Преимущество в данном случае заключается в том, что максимум С05ф выражен более явно, чем минимум мощности, и он легче локализуется. Недостатком является несоответствие максимального и оптимального созф. Преимущество минимизации тока заключа­ется в упрощении реализации алгоритма. Однако это упрощение несущественно, так как на практике приходится использовать процедуры обработки и фильтрации сигналов с датчиков тока. Дополнительное введение в расчет вектора напряжения не приво­дит к заметному усложнению, так как можно использовать задан­ное значение этого вектора при осуществлении векторной ШИМ. Расчет косинусоидальной функции также проводится сравнительно просто даже при использовании относительно несложных микро­контроллеров. Кроме того, регулирование по минимуму тока не соответствует регулированию по минимуму мощности.

При осуществлении энергосберегающего алгоритма возникает проблема снижения перегрузочной способности двигателя при уменьшении напряжения питания. Система управления должна
восстанавливать магнитныи поток при механическом возмущении, т. е. реагировать на увеличение тока. Критический момент в дан­ном случае пропорционален квадрату напряжения [47] и может быть рассчитан по формуле

Таким образом, наиболее приемлемым методом оптимизации энергопотребления для преобразователей со скалярным управле­нием следует признать метод минимизации потребляемой мощ­ности.

В качестве примера на рис. 4.4 представлены характеристики процесса пуска и поиска оптимального напряжения при работе АД в установившемся режиме при соном (Рх,, Uu, со* и со0* даны в относительных единицах, за базовые величины приняты их номинальные значения).

Поисковому алгоритму может потребоваться несколько десят­ков секунд для обнаружения оптимальной точки, что делает его непригодным к использованию в механизмах циклического дей­ствия с малыми циклами. Это обусловливает целесообразность применения алгоритма поиска минимума потребляемой мощно­сти в электроприводах, длительно работающих с постоянными нагрузками, значительно меньшими номинальных.

Турбомеханизмы характеризуются существенным уменьшени­ем момента нагрузки со снижением скорости, что, с одной сторо­ны, является преимуществом с точки зрения устойчивости к сни­жению перегрузочной способности, а с другой — не позволяет получить высокую эффективность энергосберегающего режима, так как максимум экономии достигается при максимальной ско­рости и минимуме момента нагрузки.

Как было сказано в гл. 3, возможность снижения напряжения на статоре при снижении нагрузки на двигателе имеется и в системе ТПН—АД.