CC BY
69
УДК 621.313.333
СПОСОБ АДАПТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В АСИНХРОННОМ БЕЗРЕДУКТОРНОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ЛИФТОВОЙ ЛЕБЕДКИ
Д.В. Тургенев, Ю.Н. Дементьев, С.В. Ланграф
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Представлен способ формирования потокосцепления тихоходного асинхронного двигателя: в функции от момента нагрузки на валу двигателя, влияющего на характеристики безредукторного асинхронного электропривода лифтовой лебедки. Приведены результаты исследований в виде расчетных характеристик. Установлено, что применение адаптивного способа формирования потокосцепления тихоходного асинхронного двигателя обеспечивает энергосбережение в электроприводе лифтовой лебедки.
Ключевые слова:
Тихоходный асинхронный двигатель, безредукторный электропривод, адаптивное формирование потокосцепления.
Key words:
Low-speed induction motor, gearless electric drive, adaptive formation of flux linkage.
В настоящее время большинство электроприводов лифтовых лебедок представляют собой конструкцию, состоящую из двухскоростного асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором, редуктора, тормозного устройства и релейно-контакторной схемы управления. Основной причиной выхода из строя электродвигателей в электроприводе подъема лифтовой лебедки является низкая надежность релейно-контакторной схемы управления, приводящая к отклонению параметров настройки и увеличению бросков токов при пуске асинхронного двигателя. Для механического оборудования главную опасность представляют высокие динамические моменты и жесткие механические характеристики в электромеханической системе, возникающие вследствие несовершенства системы управления [1].
Благодаря существенным достижениям в развитии силовой и микропроцессорной техники и систем частотно-регулируемого электропривода переменного тока в грузоподъемных механизмах наметилась тенденция перехода к безредукторному электроприводу, выполненному по системе преобразователь частоты-асинхронный двигатель, ли-
шенному присущих редукторным электроприводам недостатков. К основным преимуществам без-редукторного электропривода, в сравнении с ре-дукторным, относятся: отсутствие редуктора, более высокая комфортность лифта, меньший уровень шума и вибраций.
Одним из направлений развития безредуктор-ных частотно-регулируемых электроприводов, в частности лифтовых лебедок, является применение в электроприводе лифта тихоходного асинхронного двигателя (ТАД). Электропривод на его основе качественно отличается от электроприводов, применяемых в настоящее время, и определяется особенностями работы ТАД в переходных процессах и выбранной структуре системы управления [2, 3]. Кроме того, применение для управления ТАД цифровой системы на базе современных микропроцессоров и микроконтроллеров дает возможность реализации гибких алгоритмов управления электроприводом лифтовой лебедки и обеспечивает необходимые характеристики электропривода, заданную точность позиционирования кабины в начале движения и при полном останове и более высокую комфортабельность лифта.
Рис. 1. Функциональная схема асинхронного безредукторного электропривода
Цель статьи - разработка и исследование модифицированной системы управления асинхронным безредукторным электроприводом лифтовой лебедки с переменной структурой на базе тихоходного асинхронного двигателя, обеспечивающей заданную точность позиционирования кабины в начале движения и при полном останове и более высокую комфортабельность лифта.
Функциональная схема асинхронного безре-дукторного электропривода приведена на рис. 1.
Для управления ТАД электропривода лифтовой лебедки применено векторное управление с датчиком скорости/положения. Применение ТАД в без-редукторном электроприводе лифтовой лебедки приводит к рывкам момента на валу двигателя из-за большой индуктивности статорной обмотки ТАД и поддержания потокосцепления на номинальном уровне. При этом также формируются жесткие характеристики момента, приводящие к колебаниям кабины и противовеса, уменьшающие комфортность передвижения в кабине и ресурс механического оборудования [4, 5]. Для исключения подобного эффекта в статье рассматривается способ адаптивного формирования потокосцепления тихоходного асинхронного двигателя в функции от текущего момента нагрузки.
Кривая формирования потокосцепления от момента нагрузки представлена на рис. 2.
- М і макс , О.Є.
\\ \ч \\ \\ \ ч \\ \ч 08 X -Мг у Т 035 Г] ¥ 1.20 М макс 4 // // // // // _ Мдв ^
% ' макс і % 1 XX % г ж % г макс г Мдв
-2 -1 1 2 О.с.
и =
г к1к3 Т аМ , Т
■X Т'- кТ"- кЛ
^ к1М к3 ш Л
—— + а—Т
■ к5 Т г к4
(1)
а = а +
к4М к5Т 2
где
кі =
*А
, к2
^Ьт
ьь - к’ ^ ьь - ь2 ’ кз ьь - ь2 ’
4 ьь -Ь2’ 5 Т т2
5 г т
и - фазное напряжение обмотки статора; Я - активное сопротивление обмотки статора; Яг - активное сопротивление обмотки ротора; Ц - индуктивность статора; Ьг - индуктивность ротора; Ьт - индуктивность цепи намагничивания; г.р - число пар полюсов; ае - электрическая угловая частота вращения ротора; М- момент на валу электродвигателя; Тг - потокосцепление ротора.
Задавая необходимые значения частоты вращения ротора аК, момента на валу электродвигателя М, потокосцепления ротора Тг и используя известные выражения [5], можно получить расчетные механические характеристики ТАД (рис. 3) для постоянного и изменяемого потокосцеплении ротора при изменении момента нагрузки. Кроме того, на рис. 4 приведены кривые переходных процессов по скорости электропривода лифтовой лебедки на базе ТАД при различных способах формирования потокосцепления.
рад/с
(О >млв2;^-;мдв3
= соп 1 г
=“ тг= ГСМцагр)
М
двЗ
■Мдв2
240
М дві
Рис. 3.
Рис. 2. Кривая формирования потокосцепления в функции от текущего момента нагрузки
Для исследования влияния на механические характеристики ТАД способа адаптивного формирования потокосцепления воспользуемся формулами, приведенными в [4]:
2 Р ЬЬ -Ь
5 г т
Механические характеристики ТАД в электроприводе лифтовой лебедки при постоянном и формируемом адаптивном потокосцеплении ротора при изменении момента нагрузки
Как следует из механических характеристик (рис. 3), адаптивное формирование потокосцепле-ния ротора ТАД в функции от момента нагрузки на валу двигателя Т,.=/(Мнагр) приводит к изменению жесткости механических характеристик ТАД, позволяет исключить рывки момента и уменьшить колебания скорости (рис. 4) кабины и противовеса с 5...6 до 2...3 %, по сравнению с механическими характеристиками ТАД при формировании постоянного по величине потокосцепления.
На рис. 5 приведены электромеханические характеристики ТАД при постоянном и переменном пото-косцеплении ротора при изменении момента нагрузки, рассчитанные по следующему выражению [2]:
I , =7/2 +1:2 + 2/т/; віп^, (2)
где 1т - ток намагничивания; I' - ток ротора, приведенный к обмотке статора.
На рис. 5: 1Щл Мй - значение тока, рассчитанное для постоянного потокосцепления Т =сош1 и момента нагрузки Мс3; ІЩлМіі - значение тока, рассчитанное при переменном потокосцеплении Т =/(Мнагр) и моменте нагрузки равном Мс3.
) ...... ' 2 .............4.8 ' ......' "ТГ " '.....' 9.6....'........ 12 с
Рис. 4. Кривые переходных процессов по скорости при различных способах формирования потокосцепления
рад/с
03.
0) м . м ,>м Ч', %
.А
1 j
і 1
1 1 X
1 і 1 \ 1 \ ! N 1 Wr 2
1 1 ’ 1 4 1 - \
Рис. 5. Электромеханические характеристики ТАД в электроприводе лифтовой лебедки при постоянном и изменяемом потокосцеплении ротора при изменении момента нагрузки
Из анализа выражений (1), (2) и формулы для расчета приведенного тока ротора [5] следует, что уменьшение потокосцепления ротора приводит к росту тока статора Is и уменьшению напряжения статора Us и влияет на энергопотребление безре-дукторного электропривода лифтовой лебедки. На рис. 6 представлены расчетные зависимости угловой скорости от активной мощности ТАД при постоянном и адаптивном потокосцеплении ротора при изменении момента нагрузки.
На рис. 6: Р1щщ - значение мощности, рассчитанное для постоянного потокосцепления Trt=const и момента нагрузки Mc3; Р1лЛі - значение мощности, рассчитанное при переменном потокосцеплении Т^/Ж^р) и моменте нагрузки равном Mc3.
Из приведенных зависимостей следует, что при номинальном моменте нагрузки M=Mc1 и номинальной скорости а=ан регулирование потокосцепления незначительно влияет на изменение потребления активной мощности (рис. 6). При некотором изменении момента нагрузки M=Mc2<Mc1 и величины потокосцепления Т =T,m <TrtMi наблюдается небольшое снижение потребления активной мощности. При значительном уменьшении момента нагрузки M=Mc3<Mc2<Mc1 и величины потокосцепления
Т^Т^<ТгШл можно получить достаточно большое снижение потребления активной мощности.
В реальных условиях режим работы безредуктор-ного асинхронного электропривода лифтовой лебедки редко является номинальным и большую часть времени электропривод работает в условиях неполной загруженности (рис. 7), поэтому применение способа адаптивного формирования потокосцепления ТАД обеспечивает работу безредукторного асинхронного электропривода в режиме энергосбережения.
Рис. 6. Кривые зависимости угловой скорости от активной мощности ТАД при постоянном и формируемом адаптивном потокосцеплении ротора при изменении момента нагрузки
Рис. 7. Зависимость активной мощности от момента ТАД при различных способах формирования потокосцепления ротора
Из графиков рис. 7 следует, что при формировании постоянного по величине потокосцепления ротора на номинальном уровне отношение активной мощности к моменту двигателя PJM^ =const) представляет собой нелинейную зависимость, а при адаптивном формировании потокосцепления отношение
вышеуказанных величин P1/M(x¥ =f(Mнаrр)) имеет линейный характер (рис. 7). Заштрихованная область на рис. 7 показывает потери энергии, которые можно исключить, используя способ адаптивного формирования потокосцепления в функции от момента нагрузки и тем самым повысить КПД безредуктор-ного электропривода лифтовой лебедки.
Заключение
1. Применение адаптивного способа формирования потокосцепления тихоходного асинхрон-
ного двигателя позволяет исключить рывки момента и уменьшить колебания скорости кабины, что положительно сказывается на комфортабельности движения лифтовой лебедки.
2. Способ адаптивного формирования потокосце-пления тихоходного асинхронного двигателя обеспечивает энергосберегающий режим, уменьшающий энергопотребление электропривода во время работы лифтовой лебедки.
Статья подготовлена по результатам работ в рамках
Госзадания 7.2826.2011.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тургенев Д.В., Дементьев Ю.Н., Ланграф С.В. Особенности механики лифтов с безредукторным приводом лебедки // Электромеханические преобразователи энергии 2009: Сборник трудов Междунар. научно-техн. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - С. 236-240.
2. Тургенев Д.В. Анализ трехмассовой механической системы для безредукторного привода лифтовой лебедки // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2012. - № 1 (25). -С. 59-63.
3. Исследование параметрической робастности бездатчикового векторного асинхронного электропривода с идентификатором
Калмана / С.В. Ланграф, А.С. Глазырин, Т.А. Глазырина, К.С. Афанасьев, В.В. Тимошкин, Л.Е. Козлова // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 317. -№ 4. - С. 120-123.
4. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. - Иваново: Изд-во Ивановского государственного энергетического университета имени В.И. Ленина, 2008. - 298 с.
5. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. 3-е изд., перераб. - М.: Энергоиздат, 1982. - 216 с.
Поступила 20.01.2013 г.
УДК 621.34
МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ
В.В. Аржанов, Ю.А. Шурыгин, Ю.А. Шиняков, К.В. Аржанов
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники E-mail: [email protected]
Приведены результаты проектирования автоматической системы наведения на Солнце фотоэлектрической энергетической установки с минимизацией энергопотребления электроприводами при наведении.
Ключевые слова:
Фотоэлектрическая энергетическая установка, солнечная батарея, микроконтроллер, минимизация энергопотребления, автоматическое слежение за Солнцем.
Key words:
Photovoltaic power plant, solar battery, microcontroller, minimization of power consumption, automatic tracking of the sun.
В Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) разработана фотоэлектрическая энергетическая установка (ФЭУ) с автоматическим слежением солнечных батарей за Солнцем. Реализация автоматического слежения за Солнцем позволяет повысить энергетическую эффективность ФЭУ не менее чем на 30 % [1]. При этом в режиме наведения солнечных батарей на Солнце проведена минимизация потребления электрической энергии электроприводами. На рис. 1 приведена фотография разработанной в ТУСУРе ФЭУ. Блочная схема ФЭУ приведена нарис. 2, где М1, М2 - шаговые
двигатели; ДШД1, ДШД2 - драйверы шаговых двигателей; КНС - контроллер наведения на Солнце; СБ - солнечная батарея; БДПС - блок датчиков положения Солнца; БКВ X, БКВ Y - блоки конечных выключателей, Р1, Р2 - редукторы; КЗАБ - контроллер заряда аккумуляторной батареи; И - инвертор; АБ1, АБ2 - аккумуляторные батареи.
В ФЭУ используется: две солнечные батареи типа КСМ-190, инвертор с синусоидальным выходом типа TS 1000-224, два последовательно соединенных аккумулятора типа TUDOR T12V 155FT, два шаговых двигателя типа ШД-5Д, два драйвера ша-
