Электропривод на базе машины двойного питания с минимизацией потерь электроэнергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.9:502.14:62-83

В.Н. Мещеряков, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, 8-910-742-94-75, [email protected] (Россия, Липецк, ЛГТУ), Д.В. Безденежных, асп., 8-905-687-36-87, daniil [email protected] (Россия, Липецк, ЛГТУ)

ЭЛЕКТРОПРИВОД НА БАЗЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ С МИНИМИЗАЦИЕЙ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Представлен электропривод на основе машины двойного питания с преобразователями частоты в цепях статора и ротора. Система управления электроприводом реализует минимизацию электромагнитных потерь как при постоянстве пото-косцепления в воздушном зазоре, так и при его регулировании на оптимальном уровне. Рассмотренный вариант управления позволяет значительно увеличить допустимый электромагнитный момент при двухзонном регулировании скорости и повысить энергетические характеристики.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, преобразователи частоты, двухзон-ное регулирование, машина двойного питания.

Частотное управление асинхронным двигателем с короткозамкну-тым ротором (АДКЗ) является общепризнанным экономичным способом плавного регулирования скорости в широких пределах. Вместе с тем открытым остается вопрос о возможности использования этого способа для управления асинхронным двигателем с фазным ротором. Применение данного типа двигателя позволяет осуществлять питание машины и со стороны статора и со стороны ротора. Подключение обмоток статора и ротора к отдельным преобразователям частоты (ПЧ) позволяет осуществить управление четырьмя переменными, что дает возможность управлять энергетическим режимом работы двигателя. Анализ работ и публикаций [1-3] показал перспективность такого способа управления. При этом асинхронный двигатель в сочетании с преобразователями частоты в режиме векторного управления подобен двигателю постоянного тока с независимым возбуждением с присущими ему хорошими регулировочными и пусковыми характеристиками [1].

Данный электропривод, в отличие от машины двойного питания (МДП) с ПЧ в роторной цепи и подключением статора к сети имеет возможность регулировать магнитный поток двигателя в воздушном зазоре. Регулирование магнитного потока позволяет оптимизировать энергетические характеристики двигателя, а также обеспечивает двухзонное регулирование скорости вращения. Поскольку машина двойного питания может работать на скорости вращения до двойной синхронной без снижения магнитного потока, то осуществление двухзонного регулирования позволяет получить широкий диапазон изменения скорости. Это актуально, в частности, для электроприводов намоточно-размоточного оборудования, где тре-

буемая максимальная скорость может достигать 4-кратной номинальной, а момент снижается обратно пропорционально угловой скорости намотки. Регулирование скорости в таких диапазонах в электроприводах по схеме ПЧ-АДКЗ ограничено вследствие снижения критического момента двигателя обратно пропорционально квадрату частоты вращения.

Рассмотрим возможность построения системы управления электроприводом с двумя ПЧ обеспечивающей минимизацию потерь активной мощности. Поскольку требования к динамике у механизмов намоточно-размоточных устройств невелики будем рассматривать режим работы с регулированием магнитного потока в функции скорости и нагрузки на валу.

Управление машиной будем осуществлять в системе координат х-у с ориентацией оси х по вектору потокосцепления в зазоре ¥т. Поддержание заданного значения потокосцепления в зазоре позволяет повысить перегрузочную способность двигателя при работе на высоких частотах.

Систему управления электроприводом будем строить с использованием следующего подхода:

- определим требуемое соотношение между амплитудами и частотами токов статора и ротора из условия минимизации потерь при =сотР,

- определим структуру системы управления с учетом компенсации перекрестных связей;

- для полученной системы управления определим оптимальное по-

токосцепление в зазоре ¥т опт в зависимости от скорости и момента на валу.

Расчет требуемого соотношения между амплитудами и частотами токов статора и ротора из условия минимизации потерь при ¥т =сот(

Рассмотрим минимизацию потерь в меди и стали. Для МДП справедливы следующие соотношения [4]:

ЛРм = 3/12п + 3 (12)2 ;

ЛРст = ¥ 2ткс (юв + юв),

где ЛРм - потери в меди статора и ротора; ЛРст - потери в стали статора и ротора; кс - постоянный коэффициент, характеризующий удельный вес потерь в стали статора и ротора; ю1 - частота вращения электромагнитного поля статора; ю2 - частота вращения электромагнитного поля ротора; в = 1,3...1,5.

Минимизируем потери в меди при заданном моменте нагрузки. Намагничивающие составляющие токов статора и ротора /1х, С2х вычисляются

д(АР )

в зависимости от тока намагничивания 1т исходя из условий —-—— = 0,

д1х

д(АРм )

дй

0:

2 х

11х =

12 х =

1тг22 . Г1 + г2 ' 1тг1

Г1 + г2

Моментообразующие составляющие токов статора и ротора ¡1у, ¡'2у

. = = М

11у = -12 у = 15 •

15 рп* т

Минимизируем потери в стали при заданной частоте вращения. При встречном вращении полей требуемую скорость вращения ротора ю можно получить при меньших значениях ю1 и ю2, т.е при меньших потерях. При

д(АРст ) = 0 д(АРст )

этом, решая уравнения

да>1 да>2

Ю1 = -Ю2 = ю/ 2.

= 0,получим

Построение системы управления

Регулирование магнитного потока связано с изменением взаимной индуктивности. Следовательно, будем рассматривать математическую модель асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитной цепи двигателя по пути главного магнитного потока. Уравнения в системе координат х-у, ориентированной по потокосцеплению в зазоре можно записать в виде:

и1х = г111х + -¡;11х + ^ т - у;

Ж Ж

и1 у = г111у + Ls1 —¡^1у + Ю1^111х + т; и2х = г2г2х + ^2 й[/2х + Ж ^т - ю2^2г2у;

и2 у = г2^2 у + ^ 2 Ж/2 у + Ю2 ^ 2г2 х + т; ^ т = / (1т ) = / (*1х + *2 х ),

где и1у - напряжение статора по оси у; и1х - напряжение статора по оси х; и'2у - приведенное напряжение ротора по оси у; и'2х - приведенное напря-

жение ротора по оси х; Ls\ - индуктивность рассеяния статора; L rs2 - приведенная индуктивность рассеяния ротора.

Управление машиной двойного питания может осуществляться по 4 переменным. Выберем в качестве регулируемых переменных намагничивающие токи статора и ротора i\x, i9^ моментообразующий ток ротора i'2y и частоту вращения поля статора со\. На рис. 1 изображена структура системы управления электроприводом. Напряжения щхъ и'ьсь и\ук подаются на входы блоков компенсации перекрестных связей и формируются на выходе соответствующих ПИ-регуляторов токов, напряжение ыЛук рассчитывается в зависимости от заданных частоты coi и сигнала обратной связи i'2y.

Частота вращения поля статора coi задается в зависимости от требуемого режима работы. В двигательном режиме поддерживается встречное вращение полей статора и ротора cüj =-со2 = со/2 ? при этом активная мощность потребляется как статорной, так и роторной цепью. В генераторном режиме coi устанавливается равной 5... 10 Гц, вращение полей - согласное, при этом рекуперация энергии осуществляется только через роторную цепь.

Рис. 1. Структура системы управления МДП в системе координат х-у

Расчет оптимального потокосцепления опт

Рассчитаем оптимальное потокосцепление в зависимости от скорости и момента нагрузки, исходя из минимума потерь. Электромагнитные потери имеют вид

Ар= Ш1 2 (п-Щ-11 + ,

(1.5/ъ) М (г1+г2)

/ лр

где К-кс \ (со!Р + ю2р).

\1я) V I

Квадрат тока намагничивания нелинейно зависит от потокосцепле-

г\

ния 11и =/(Ч//;/). Данную зависимость представим тремя функциями:

2 2

/7/; = ~ на линейном участке кривой намагничивания,

1т - + т +а4 ~ на нелинейном участке, и х¥т =х¥т нас- на участке насыщения. Такая аппроксимация позволит аналитически определить

д(АР) л

выражение оптимального потокосцепления. Решив уравнение ^ = О,

w

определим х¥т опт на трех участках: - линейный участок

¥

А 111 опт

"1

нелинейный участок

У1ЗМ(т\ + Г$)

ц/

1 111 опт

\A + K] + ^[A + Kf +ВМ2

С

участок насыщения Ч?т опт = Ч7,,, нас, ^У2а3 . о _ ЩГ2а2 . ^-Щг2а2

где А = : ; В = —; С :

>1+>2 Vn г1 + г2

В случае, когда частота вращения поля статора или ротора превышает синхронную скорость со0, заданное значение оптимального потокосцепления должно корректироваться с целью ограничения напряжений статора или ротора. Максимальное потокосцепление при этом определяется в зависимости от заданного момента и частот вращения полей. В области малых нагрузок потокосцепление ограничивается по минимальному значению мин «0,2^ ном для того чтобы в режимах холостого хода не происходило полного размагничивания магнитопровода двигателя.

Для изучения и анализа процессов, происходящих в системе электропривода, была построена математическая модель в программном продукте Simulink MatLab. На рис. 2 показаны характеристики отношения длительно допустимого момента и скорости при двухзонном регулировании исследуемого двигателя. Зона регулирования с постоянным моментом при двойном питании увеличивается в два раза. Зона постоянства мощности обеспечивается в требуемом диапазоне регулирования скорости вверх

от двойной синхронной и теоретически не ограничена. Регулирование с постоянной мощностью того же двигателя с ротором замкнутым накоротко ограничивается двойной синхронной скоростью вследствие снижения критического момента обратно пропорционально квадрату частоты вращения.

2 м/м„ , \мк \ 1 1

1 о V \ \ \

о Л \ \ \ V \ \\ чМДП

1) \л

ц 2 ^АДКЗ

со/со0

0 0.5 1 1 5 ; 2.5 3.5 4

Рис.2. Характеристики отношения момента и скорости при двухзонном регулировании

На рис. 3 показаны зависимости КПД от полезной мощности на валу Р2 для двигателя 4АНК280М8УЗ, полученные в результате моделирования. Электромагнитные потери данного двигателя с фазным ротором при работе под номинальной нагрузкой в режиме машины двойного питания снижаются на 16 %, по сравнению с потерями того же двигателя с ротором замкнутым накоротко. Более высокие значения КПД можно получить при работе со скоростью, превышающей номинальную. Это объясняется увеличением полезной мощности на валу за счет повышения скорости вращения, а не момента. При этом возрастают потери в стали, величина которых меньше потерь в меди, зависящих от момента.

Рис. 3. Зависимости г/ = /(Р2) для двигателя 4АНК280М8УЗ: - АДКЗ (»=(»„; -Ф- - МДП (о=(о0, Ч*т = Ч*т ном ;

-в--МДП (0=0)0, Ут = опт /

- МДП (0=2(0о, Ч*т = 4>т ном ; -а- - МДП (0=2(оо, Ч*т = 4>т опт.

Выводы

1. Рассмотренный электропривод на базе МДП с преобразователями частоты в цепях статора и ротора позволяет значительно повысить допустимый момент двигателя при двухзонном регулировании скорости.

2. Применение данного электропривода целесообразно в механизмах, требующих широкого диапазона регулирования скорости во второй зоне с сохранением постоянства мощности.

3. С целью уменьшения потерь энергии отношение намагничивающих токов статора и ротора должно быть обратно пропорционально активному сопротивлению обмоток, а частоты вращения электромагнитных полей статора и ротора должны поддерживаться равными.

4. Наибольшие значения КПД электропривод достигает при работе со скоростью, превышающей номинальную.

Список литературы

1. Асинхронизированный вентильный двигатель с поддержанием неизменного результирующего магнитного потока / И.П.Копылов [и др.] // Электротехника. 2000. №8. С. 59-62.

2. Асинхронизированный вентильный двигатель с ортогональным управлением потока / И.П.Копылов [и др.]//Электротехника. 2002. №9. С. 2-5.

3. Тутаев Г.М. Варианты векторного управления электроприводом с асинхронизированным вентильным двигателем //Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. №3. С. 11-15.

4. Поляков В.Н., Шрейнер Р.Т. Экстремальное управление электрическими двигателями; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Р.Т.Шрейнера. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. 420 с.

V. Meshheryakov, D. Bezdenezhny'h

Electric drive based on double-inverter-fed induction machine with minimization of electric energy losses

Electric drive based on double-inverter-fed induction machine is presented. Control system of electric drive realizes minimization of electromagnetic losses at constant and optimal flux. The considered variant of control allows significantly increase acceptable electromagnetic torque at two-region regulation and improves the energy characteristics.

Key words: asynchronous engine, frequency converter, two-region regulation, double-inverter-fed induction machine.

Получено 06.07.10