Асинхронный электропривод электромеханических систем с оптимальными режимами работы по критерию энергосбережения

Актуальность проблемы.

На современном этапе развития науки и техники системы электропривода прочно занимают лидирующее положение среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надежную работу технологических механизмов во многих отраслях промышленности и специальной техники.

В качестве приводного двигателя наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Современный асинхронный электропривод реализуется на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат электропривода в широком диапазоне, с высокой точностью и быстродействием. Однако даже в составе частотно-регулируемого электропривода не всегда обеспечиваются режимы работы с максимальными энергетическими показателями.

В настоящее время повышение энергоэффективности работы оборудования выдвигается на первый план развития национальной экономики. Затраты на мероприятия по экономии 1 кВт мощности обходятся в 4 — 5 раз дешевле стоимости вновь вводимого оборудования такой же мощности. Экономия 1 кВт-час при потреблении электрической энергии приводит к экономии 3 кВт-час первичной энергии природных ресурсов [1].

Асинхронные двигатели преобразовывают до 40% вырабатываемой в РФ электроэнергии — около 400 ТВт час в год. АД при полной загрузке в течение года преобразовывает объем электроэнергии, стоимость которой в 6−8 раз выше стоимости самого АД. Так при КПД асинхронного двигателя 90% за год в нем выделяются потери энергии стоимостью до 60 — 80% самого АД. Созданием, выпуском и внедрением АД с повышенным КПД классов EFF1, EFF2, EFF3, Premium занимаются ведущие фирмы развитых стран мира. Использование энергоэффективных АД и их эксплуатация с минимальным потреблением энергии позволит сэкономить в РФ до 6 ТВт-час в год или более 12 млрд руб. [2]. Таким образом, повышение эффективности работы.

АД и эксплуатация их в энергосберегающих режимах являются чрезвычайно актуальными.

В создание и развитие теории систем асинхронного электропривода значительный вклад внесли выдающиеся российские и зарубежные ученыеА. А. Булгаков, А. Ю. Афанасьев, И. Я. Браславский, В. Н. Бродовский,.

A. Б. Виноградов, Т. А. Глазенко, В. JI. Грузов, П. Е. Данилов, В. А. Дартау, JI. X. Дацковский, 3. Ш. Ишматов, В. Г. Каширских, А. Е. Козярук,.

B. И. Ключев, Г. Б. Онищенко, О. И. Осипов, J1. П. Петров, А. Д. Поздеев, В. Н. Поляков, В. В. Рудаков, Ю. А. Сабинин, А. С. Сандлер, Р. С. Сарбатов,.

A. С. Сарваров, О. В. Слежановский, М. М. Соколов, Г. Г. Соколовский, И. М. Столяров, А. А. Суптель, В. М. Терехов, В. Н. Хрисанов,.

B. А. Шубенко, Р. Т. Шрейнер, И. И. Эпштейн, G. М. Asher, F. Blaschke, W. Floter, J. Holtz, W. Leonard, Т. A. Lipo, D. W. Novotny и многие другие.

Однако ряд проблем остается нерешенным.

Одной из задач теоретического исследования является повышение точности математического описания АД с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали. При построении математической модели АД с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали целесообразно использовать теорию обобщенной электрической машины.

Широко распространено управление АД с напряжением питания, пропорциональным его частоте. Такое управление является малоэкономичным, поскольку не учитывается требуемый электромагнитный момент. При малом моменте поддерживать магнитный поток на уровне номинального нерационально.

Для построения высокоэффективных с точки зрения энергосбережения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов необходимо использовать теорию оптимального управления токами АД по критерию минимума мощности потерь или максимума КПД.

Для эффективного управления асинхронным двигателем, работающим в составе частотно-регулируемого электропривода, необходимо знать текущие значения его параметров — таких как активные сопротивления и индуктивности фаз обмоток статора и ротора, взаимная индуктивность, суммарный момент инерции подвижных частей и статический момент. Перечисленные параметры в процессе функционирования электропривода могут изменяться в силу многих причин, например, таких, как нагрев и охлаждение обмоток, изменение состояния магнитной цепи и др. Таким образом, для реализации более точных алгоритмов управления, обеспечивающих эффективное энерго-и ресурсосбережение, необходима оценка (идентификация) перечисленных параметров в режиме нормального функционирования электропривода.

Асинхронный электропривод с векторным управлением является наиболее совершенным, однако алгоритмы векторного управления в большинстве случаев не учитывают насыщение магнитопровода и потери в стали и не обеспечивают оптимальных режимов работы.

В связи с этим ставится цель и возникает актуальная проблема, решаемая в диссертации.

Работа выполнена в соответствии с государственной программой Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года" — Республиканской программой «Энер-горесурсоэффективность в Республике Татарстан на 2006 — 2010 годы" — Республиканской программой «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Республике Татарстан на 2010 — 2015 годы и на перспективу до 2020 года" — направлением «Энергетика и энергосбережение», включенным в приоритетные направления развития науки, технологий и техники (Пр. № 842 от 21.05.2006 г.) и планом фундаментальных научных исследований ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет».

Цель работы — создание асинхронных электроприводов с повышенными энергетическими показателями путем оптимального управления токами двигателя по критерию энергосбережения при создании требуемого электромагнитного момента.

Проблема научного исследования.

Разработка методологии синтеза и анализа энергосберегающих асинхронных электроприводов общепромышленного назначения, включающая теоретическое обобщение, разработку структур, алгоритмов управления, функциональных схем и расчетных соотношений.

Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ функциональных схем и характеристик существующих электроприводов на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, алгоритмов управления, современных методов синтеза и анализа, на основе которого сформулированы подлежащие решению задачи и намечены общие пути их решения.

2. Разработка гипотетической физической модели обобщенной электрической машины на основе трехфазного асинхронного двигателя с сохранением основных параметров реальной машины.

3. Разработка математической модели асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали и компьютерное моделирование.

4. Разработка алгоритмов оптимального частотно-токового управления асинхронным электроприводом по критерию минимума мощности суммарных потерь в двигателе с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали, а также векторного управления с учетом насыщения магнитопровода.

5. Анализ системных свойств (управляемости, наблюдаемости и чувствительности) асинхронного электропривода.

6. Разработка алгоритмов и устройств идентификации параметров и процессов асинхронного электропривода в режиме нормального функционирования.

Методы исследований.

При решении поставленных задач использовались аналитические методы теории электромеханических систем, теории обобщенных электрических машин, линейной алгебры и дифференциальных уравнений, численные методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, математического программирования, квадратической интерполяции, градиентный метод поиска минимума функции, метод функций Ляпунова анализа устойчивости, компьютерное моделирование и экспериментальное исследование.

Достоверность полученных результатов обеспечена адекватностью и корректностью применения в работе теоретических положений и методов и подтверждается результатами сравнения компьютерного моделирования с экспериментальными данными.

Научная новизна.

В работе осуществлено теоретическое обобщение и решение научной проблемы создания методологии синтеза и анализа асинхронных электроприводов с оптимальным частотно-токовым управлением по критерию энергосбережения.

В процессе исследований получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Концепция построения асинхронного электропривода электромеханических систем с промежуточным сигналом, пропорциональным требуемому моменту, с использованием доступной информации о параметрах асинхронного двигателя и нагрузки. Сформулирован основной принцип оптимального частотно-токового управления асинхронным электроприводом электромеханических систем, заключающийся в получении требуемого момента по критерию энергосбережения.

2. Методика преобразования уравнений линейной математической модели трехфазного асинхронного двигателя в фазных координатных осях к системе координат с1, д, позволяющая создать гипотетическую физическую модель обобщенной электрической машины и допускающая применение традиционных методик проектирования.

3. Методика учета насыщения магнитопровода и потерь в стали в математической модели обобщенной электрической машины на основе трехфазного асинхронного двигателя с помощью теории трансформатора и введением эквивалентных обмоток потерь в стали, позволяющая повысить точность расчетов при моделировании.

4. Методика решения задачи оптимального частотно-токового управления асинхронными электроприводами, позволяющая учесть насыщение магнитопровода и потери в стали, по критерию минимума мощности потерь в обмотках и сердечниках двигателя, а также методика векторного управления, позволяющая учесть насыщение магнитопровода. Проведен синтез систем частотно-токового управления с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали, а также векторного управления с учетом насыщения магнитопровода.

5. На основании анализа системных свойств разомкнутого асинхронного электропривода с силовым полупроводниковым преобразователем установлено, что данный электропривод обладает свойством полной управляемостипоказано, что порядок управляемости дает качественную оценку динамики переменных состояния электроприводасуществует возможность наблюдать токи короткозамкнутого ротора на основании измеряемых напряжений и токов фаз статораполучены уравнения функций чувствительности по параметрам электропривода, позволяющие оценить влияние отклонений параметров на процессы и характеристики асинхронного электропривода.

6. Методика идентификации параметров и процессов асинхронного электропривода с использованием непрерывного градиентного метода поиска минимума определенно положительных функций от невязок уравнений электропривода, обеспечивающая адаптацию управляющих устройств к изменяющимся условиям функционирования.

Практическая значимость работы.

1. Алгоритмы поиска оптимальных по критерию энергосбережения токов асинхронного двигателя, создающих требуемый электромагнитный момент.

2. Функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением, позволяющая осуществлять оптимальное управление токами по критерию минимума суммарной мощности потерь в обмотках и сердечниках двигателя для получения требуемого электромагнитного момента.

3. Функциональная схема асинхронного электропривода с устройством наблюдения токов короткозамкнутого ротора, применение которого позволяет осуществлять идентификацию параметров и реализовать эффективные алгоритмы частотного регулирования скорости, включая алгоритмы оптимального частотно-токового управления.

— 124. Алгоритмы и функциональные схемы устройств идентификации параметров и процессов асинхронного электропривода, осуществляющих идентификацию в режиме нормального функционирования.

5. Функциональная схема системы векторного управления асинхронным электроприводом с учетом насыщения магнитопровода двигателя.

6. Программы по моделированию процессов электромеханического преобразования энергииоптимальному управлению токамиисследованию управляемости, наблюдаемости и чувствительностиидентификации параметров и процессов и векторному управлению асинхронным электроприводом с учетом насыщения магнитопровода двигателя.

Реализация результатов.

Алгоритмы идентификации и оптимального частотно-токового управления внедрены в ГАУ «Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан» (г. Казань), алгоритмы оптимального частотно-токового управления — в ОАО «ТатНИИнефтемаш» (г. Казань) и ЗАО «Производственная компания «Завод транспортного электрооборудования» (г. Набережные Челны), алгоритмы и устройства идентификации — в ОАО «Нижнекамскшина» (г. Нижнекамск).

Технические решения защищены 1 патентом РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на IX и X Международных симпозиумах «Энергоресурсоэф-фективность и энергосбережение» (г. Казань, 2008 г., 2009 г.), I и II Всероссийских научно-технических конференциях «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007 г., 2009 г.), IV Международной научно-практической конференции «Наука и практика: проблемы, идеи, инновации» (г. Чистополь, 2009 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI века» (г. Нижнекамск, 2009 г.), XXI и XXIII Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» г. Казань, 2009 г, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), V Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (г. Пенза,.

2009 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» (г. Москва, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза,.

2010 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы перехода к устойчивому развитию монопрофильных городов» (г. Нижнекамск, 2010 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» (г. Новокузнецк, 2010 г.), ХЬ Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (г. Москва, 2010 г.).

Публикации по работе. Результаты работы опубликованы в 54 печатных работах. В том числе 1 монография, 18 статей в изданиях из перечня ВАК РФ, 13 статей в других изданиях, 21 доклад и тезис конференций, 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, одного приложения, списка использованных источников из 177 наименований. Объем работы — 411 с. машинописного текста, 26 таблиц, 188 рисунков.

8.4. Выводы.

1. Для аппроксимации экспериментальных зависимостей активной мощности, потребляемой АД, от угловой скорости скольжения целесообразно использовать кубические полиномы, а для аппроксимации зависимостей оптимальной угловой скорости скольжения, действующих значений фазных токов и напряжений от угловой скорости ротора и момента на валу — суммой константы, линейных членов и произведения аргументов.

2. Качественный анализ результатов экспериментального исследования подтверждает все выявленные с помощью теоретических методов исследования свойства зависимостей потребляемой активной мощности от угловой скорости скольжения, а именно: указанные зависимости являются унимодальными функциями и обладают свойством подобия, с увеличением угловой скорости ротора наблюдается увеличение оптимальной угловой скорости скольжения, увеличение момента на валу так же приводит к увеличению оптимальной угловой скорости скольжения.

3. Качественный анализ зависимостей оптимальной угловой скорости скольжения, фазных токов и напряжений статора от угловой скорости ротора показывает, что они имеют различный наклон, а постоянная составляющая при переходе от одной прямой к другой изменяется неравномерно.

4. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных зависимостей свидетельствует о хорошем совпадении результатов. Следовательно, разработанные методики учета насыщения магнитопровода и потерь в стали обладают высокой точностью и позволяют строить адекватные математические модели АД, а полученные зависимости оптимальной угловой скорости скольжения от угловой скорости ротора могут быть использованы при синтезе систем частотно-токового управления асинхронными электроприводами с высокими энергетическими показателями, применение которых позволит эффективно решать проблему энергосбережения средствами асинхронного электропривода.

5. Экспериментально подтверждено, что применение оптимального частотно-токового управления асинхронным электроприводом с двигателем АИР80А6У2 позволило повысить КПД двигателя при номинальной мощности на 2%.

— 388 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В работе решена крупная научная проблема теоретического обобщения и развития концепций и методологии синтеза и анализа энергосберегающих асинхронных электроприводов общепромышленного назначения, имеющая важное хозяйственное значение.

1. Разработана концепция построения асинхронного электропривода с промежуточным сигналом, пропорциональным требуемому моменту, с использованием доступной информации о параметрах асинхронного двигателя и нагрузки, позволяющая строить энергосберегающие асинхронные электроприводы общепромышленного назначения.

2. Разработана методика преобразования уравнений линейной математической модели трехфазного АД в фазных координатных осях к системе координат б/, д, позволяющая создать гипотетическую физическую модель ОЭМ и допускающая применение традиционных методик проектирования.

3. Предложена методика учета насыщения магнитопровода и потерь в стали в математической модели ОЭМ на основе трехфазного АД с помощью теории трансформатора и введением эквивалентных обмоток потерь в стали, позволяющая повысить точность расчетов при моделировании.

4. Предложена методика решения задачи оптимального частотно-токового управления асинхронными электроприводами, позволяющая учесть насыщение магнитопровода и потери в стали, по критерию минимума мощности потерь в обмотках и сердечниках двигателя. Проведен синтез системы частотно-токового управления асинхронного электропривода с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали двигателя.

5. На основании результатов решения задачи оптимального частотно-токового управления асинхронным электроприводом предложена структура системы векторного управления асинхронным электроприводом, позволяющая формировать оптимальное по критерию энергосбережения потокосцеп-ление ротора.

— 3896. На основании анализа системных свойств разомкнутого асинхронного электропривода с силовым полупроводниковым преобразователем установлено, что данный электропривод обладает свойством полной управляемостипоказано, что порядок управляемости дает качественную оценку динамики переменных состояния электроприводасуществует возможность наблюдать токи короткозамкнутого ротора на основании измеряемых напряжений и токов фаз статораполучены уравнения функций чувствительности по параметрам электропривода, позволяющие оценить влияние отклонений параметров на процессы и характеристики асинхронного электропривода.

7. Предложена методика идентификации параметров и процессов асинхронного электропривода непрерывным градиентным методом поиска минимума функции от невязок уравнений электропривода, обеспечивающая адаптацию управляющих устройств к изменяющимся условиям функционирования.

8. Разработана методика учета насыщения магнитопровода в системе векторного управления асинхронным электроприводом, позволяющая наиболее полно реализовать возможности векторного управления. Проведен синтез системы векторного управления асинхронным электроприводом с учетом насыщения магнитопровода.

9. Разработаны структурные схемы устройства генерации функций чувствительности разомкнутого асинхронного электропривода и асинхронного электропривода с векторным управлением при формировании оптимального потокосцепления ротора, а также функциональные схемы устройств идентификации параметров и процессов асинхронного электроприводаасинхронного электропривода с устройством наблюдения токов короткозамкнутого ротораасинхронного электропривода с оптимальным частотно-токовым управлением по критерию энергосбережения с учетом насыщения магнитопровода и потерь в сталиасинхронного электропривода с векторным управлением при учете насыщения магнитопровода. Функциональные схемы сопровождаются расчетными соотношениями и допускают реализацию на серийно выпускаемых элементах.

10. Разработанные алгоритмы поиска оптимальных по критерию энергосбережения токов асинхронного электропривода с учетом насыщения маг-нитопровода и потерь в сталиоптимального управления токами асинхронного электропривода с учетом насыщения магнитопровода и потерь в сталиидентификации параметров и процессов асинхронного электроприводаанализа управляемости, наблюдаемости, чувствительности асинхронного электроприводавекторного управления асинхронным электроприводом с учетом насыщения магнитопровода позволяют реализовать эффективное энергои ресурсосбережение и могут быть применены в широком классе асинхронных электроприводов.

И. Разработаны математические модели асинхронных электроприводов с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали двигателя, позволяющие рассчитать характеристики и проанализировать переходные и установившиеся процессы.

Дальнейшее развитие данного научного направления требует широкого макетирования и экспериментального исследования для выявления перспективных областей внедрения, а также для коррекции и совершенствования предложенных методологий и технических решений.

— 391.