ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Волянська Яна Богданівна

УДК 621.313.3:681.51

УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧОГО КЕРУВАННЯ АСИНХРОННИМ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ

Спеціальність 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електрообладнання суден Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор

Локарев Валентин Іванович, професор кафедри електрообладнання суден Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова, м. Миколаїв.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Герасимяк Ростислав Павлович, професор кафедри електромеханічних систем з комп’ютерним управлінням Одеського національного політехнічного університету, м. Одеса.

кандидат технічних наук

Алаєв Віктор Васильович, доцент кафедри суднових енергетичних установок Севастопольського військово-морського ордену Червоної Зірки інституту імені П.С. Нахімова, м. Севастополь.

Провідна установа – | Національний університет „Львівська політехніка”, м. Львів, кафедра „Електропривод і автоматика промислових установок”.

Захист відбудеться „ 14 ” квітня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 41.052.05 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса-44, пр. Шевченка, 1, адміністративний корпус, ауд. 400.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету (м. Одеса, пр. Шевченка, 1)

Автореферат розісланий „ 10 ” березня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К41.052.05, к.т.н., доцент В.П. Шевченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У промислово розвинутих країнах, у тому числі й в Україні, близько 2/3 всього обсягу споживаної електроенергії використовується для механічної роботи, що виконується в більшості асинхронним електроприводом (АЕП). Найбільш широко використовуються електроприводи на базі асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором (АД). Таке положення визначається простотою виготовлення й експлуатації АД, меншими в порівнянні з двигунами постійного струму масою, габаритними розмірами і вартістю, а також високою надійністю в роботі.

Однак, як показує практика, АД, що зараз знаходяться в експлуатації мають погіршені енергетичні характеристики внаслідок збільшеної при проектуванні установленої потужності, але головне – роботи більшість часу в недовантаженому режимі, все це і спричиняє зниження ККД. Відомо, що тільки в агропромисловому комплексі України знаходяться в експлуатації близько двох мільйонів АД, тому навіть при невеликому зниженні втрат окремого приводу (до 3-5%), враховуючи масовість АЕП, можна досягти значну економію електроенергії. У зв'язку з цим перспективним є напрямок удосконалення систем енергозберігаючого керування АЕП.

Сучасні системи енергозберігаючого керування засновані на використанні різних способів підвищення енергетичної ефективності АЕП, таких як частотне і векторне керування, використання комбінованих засобів, регулювання потоку АД. Останній з перерахованих засобів простий у реалізації і не вимагає великих капіталовкладень, що особливо актуально при проведенні заходів щодо модернізації існуючих масових АЕП.

У відомих роботах Ільінського М.Ф., Кобозева В.А., Москаленко В.В., присвячених вивченню питання зниження втрат в АЕП шляхом зміни потоку АД, велика увага приділена загальним питанням теорії енергетичних перетворень в асинхронних машинах. У той же час узагальнені методики аналізу енергетичних перетворень і характеристик при регулюванні потоку АД електропривода ще не представлені в досить зручному для практичного використання виді. Відсутні критерії оцінки енергетично доцільних режимів навантаження, недостатньо поширено комплексний підхід до вирішення задачі енергозбереження в електроприводі, що поєднує як системне обґрунтування способу енергозбереження (регулювання потоку АД), так і його практичну реалізацію, засновану на розробці технічних засобів підвищення енергетичної ефективності електропривода.

Тому більш глибоке дослідження питань підвищення енергетичної ефективності АЕП при регулюванні потоку АД разом з удосконаленням систем енергозберігаючого керування і методів проектування становить науковий інтерес і має практичне значення для економіки України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дослідження дисертації відноситься до основних наукових напрямків Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова (НУК). Тема №1432 “Енергозбереження в електроприводі” є складовою частиною комплексної НДР “Дослідження систем і елементів енергозберігаючого герметичного суднового і загальнопромислового електропривода і динамічного віброгашення з асинхронними й електромагнітними перетворювачами”, номер держ. реєстрації 0101U008041.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення енергетичної ефективності недовантаженого асинхронного електропривода шляхом удосконалення систем енергозберігаючого керування.

Задачі дослідження:

1) удосконалення математичних моделей асинхронного двигуна для дослідження електропривода із системою енергозберігаючого керування в конкретних умовах його роботи;

2) розробка теоретичних основ удосконалення існуючих способів енергозбереження АЕП і їх реалізація;

3) розробка й експериментальне підтвердження працездатності алгоритмів, що забезпечують оптимальне енергоспоживання електропривода;

4) створення, реалізація й випробування технічних засобів енергозберігаючого керування АЕП з метою перевірки працездатності такого керування і підтвердження теоретичних положень, покладених в основу їх розробки;

5) удосконалення системи енергозберігаючого керування на базі ТПН-АД.

Об'єктом дослідження є процеси електромеханічного перетворювання енергії недовантаженого асинхронного електропривода.

Предметом дослідження є енергетичні характеристики недовантаженого асинхронного електропривода.

Методи дослідження. При розв’язанні поставлених у роботі задач використовувались загальні методи теорії електричних машин, теорії автоматизованого електропривода, інтегральне і диференціальне числення, чисельні методи рішення систем диференціальних рівнянь, методи математичного і фізичного моделювання. Перевірка основних теоретичних положень виконувалася використанням пакетів прикладних програм MathCAD, MATLAB і моделюванням в середовищі Delphi, а також за допомогою лабораторного натурного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

1) отримані узагальнені аналітичні залежності, що зв'язують енергетичні характеристики АЭП з моментом навантаження і прикладеною напругою;

2) вперше отримано аналітичний вираз для визначення заощадженої електроенергії, що дозволяє оцінювати ефективність вжитих заходів енергозбереження;

3) розроблений спосіб керування АЕП з регулюванням напруги забезпечує автоматично, при зміні моменту навантаження, оптимальний режим роботи АД за критерієм максимуму заощадженої електроенергії;

4) для енергозбереження обґрунтовано доцільність використання секціонування фаз статорної обмотки АД з полюсоперемиканням і без полюсоперемикання;

5) вперше розроблено принцип регулювання, при якому вихідна напруга тиристорного перетворювача інваріантна фазі струму статора асинхронного двигуна, що дозволяє виключити дію позитивного внутрішнього зворотного зв'язку і гарантувати стійку роботу електропривода.

Практичне значення отриманих результатів:

1) запропоновані якісні і кількісні залежності між енергетичними показниками асинхронного електропривода, моментом навантаження і прикладеною напругою дають змогу вирішувати задачі оптимізації АЕП, обґрунтовувати технічні рішення при розробці систем енергозберігаючого керування, знизити трудомісткість розрахунків (до 50% за рахунок скорочення числа розрахункових кроків);

2) запропонований спосіб перемикання обмоток статора АД з “трикутника” на “зірку” і навпаки при зміні навантаження в 2-4 рази знижує кидки струму при перемиканнях, а споживану за цикл роботи енергію – до 13%;

3) розроблено пакет прикладних програм у середовищі MathCAD, Delphi, MATLAB, що дає можливість робити розрахунок енергетичних характеристик АЕП і оцінювати ефективність засобів енергозбереження;

4) розроблені технічні засоби енергозберігаючого керування АЕП реалізують алгоритм енергозберігаючого керування асинхронним електроприводом з регулюванням напругою, їх застосування в АЕП дозволяє знизити споживання електроенергії асинхронним електроприводом до 15%;

5) удосконалена система енергозберігаючого керування на базі ТПН-АД із синхронізацією вентилів з напругою мережі дає змогу керувати пуском АД й оптимізувати енергоспоживання електропривода при зміні моменту навантаження; при цьому досягнуте найбільше зниження пікових значень електромагнітного моменту в 3 рази, а споживаної енергії – на 15%;

6) розроблено і введено в експлуатацію в Інституті автоматики й електротехніки Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова (ІАЕ НУК) науково-дослідна лабораторія “Енергозбереження в електроприводі”;

7) розроблені, створені, випробувані і впроваджені у виробництво й у навчальний процес пристрій автоматичного відключення АД при неробочих режимах, пристрій автоматичного перемикання ланцюгів статорної обмотки АД з “трикутника” на “зірку” і пристрій автоматичного регулювання двигунів у багатодвигунному електроприводі;

8) отримані в роботі результати використовуються при підготовці фахівців і магістрів ІАЕ НУК, що навчаються за фахом 8.092201 “Електротехнічні системи і комплекси транспортних засобів” Міністерства освіти і науки України.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані автором особисто. Роботи [1, 2, 3, 4] виконані без співавторів. У роботі [5] здобувачем отримана залежність струму статора АД для всього діапазону кривої намагнічування. У роботах [6, 7] запропоновано багатофункціональний пристрій керування АЕП і виконане дослідження його роботи в пристроях енергозберігаючого призначення. У роботах [8, 12] здобувачем виконано аналіз енергетичних втрат і способів їх мінімізації. У роботі [9] запропоновані узагальнені залежності основних характеристик напівпровідникових терморезисторів, як чутливих елементів вимірювальних перетворювачів температури. У роботі [10] здобувачем розроблено методику розрахунку енергетичних характеристик АД при зміні навантаження і напруги живлення. У роботі [11] розраховано ефект енергозбереження при використанні секціонованих двигунів для ступінчатого регулювання подачі нагнітальних механізмів з нульовим або обмеженим статичним напором. У роботі [13] здобувачем запропонована схема двошвидкісного АЕП з енергозберігаючими ступінями. У роботі [14] отримані нові співвідношення, що відповідають номінальній напрузі – залежності від часткових навантажень, включаючи і неробочий хід, уточнена залежність ККД від часткових навантажень при номінальній напрузі. У роботі [15] здобувачем проведено аналіз можливостей багатофункціональних компонентів для електротехнічних пристроїв. У роботі [16] розроблено математичний опис елементів електропривода і програмне забезпечення. У роботі [17] здобувачем отримано аналітичний вираз для визначення заощадженої потужності, що дає змогу оцінювати ефективність вжитих заходів енергозбереження.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на 11 науково-технічних конференціях, у тому числі на 1-й і 2-й міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми енергозбереження й екології в суднобудуванні”, Миколаїв, УДМТУ, 1998-1999 р.; на міжнародних науково-технічних конференціях “Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації”, Кременчук, КДПУ, 2002 р., 2004 р., 2005 р.; на конференції з міжнародною участю “Електромашинобудування та електрообладнання”, Одеса, ОНПУ, 2004 р.; на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДМТУ в 1996, 1997, 1999, 2001-2003 р.р.; на міжнародних науково-технічних конференціях “Електротехніка й електромеханіка”, Миколаїв, НУК, 2004, 2005 р.р.

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 17 наукових публікаціях, серед них 13 статей у спеціальних науково-технічних виданнях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти глав з висновками, загальних висновків, списку використаної літератури з 113 джерел, шести додатків. Робота загальним обсягом 207 сторінок. Вона містить 147 сторінок основного тексту, 62 ілюстрації, 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, визначені наукова новизна і практична цінність. Приведено структуру роботи й основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі виконано огляд технічної літератури, присвяченої сучасному стану систем керування і пристроїв енергозберігаючого призначення, які застосовуються в асинхронному електроприводі. Розглядаються переваги і недоліки існуючих систем енергозберігаючого керування АЕП, відзначається раціональна область їх застосування.

Виконаний аналіз енергетичного стану електропривода надав можливість виділити основні напрямки енергозбереження в АЕП. Показано, що одним з розповсюджених способів підвищення енергетичної ефективності АЕП при роботі асинхронних двигунів у режимі неповного навантаження є регулювання потоку, що дозволяє при глибокому зниженні навантаження зменшити втрати енергії в АД до 50%.

Зазначено напрямки реалізації способу регулювання потоку при глибокому зниженні навантаження АД, а саме, шляхом плавної зміни напруги живлення за допомогою спеціальних перетворювачів напруги, зміною фазної напруги двигуна перемиканням статорного ланцюга, шляхом переходу від однодвигунного електропривода до багатодвигунного з регулюванням числа працюючих двигунів в залежності від загального навантаження установки, шляхом зниження встановленої потужності АД на стадії проектування з урахуванням енергетичного стану АЕП.

В другому розділі запропонована узагальнена методика розрахунку енергетичних характеристик асинхронного електродвигуна, зокрема отримані аналітичні залежності енергетичних характеристик АД при зміні навантаження і прикладеної напруги, а саме – струму двигуна, ККД, а також потужностей: корисної; споживаної; повної; заощадженої; втрат потужності.

Виведені нові співвідношення для

- струму асинхронного двигуна при зміні навантаження і наруги живлення

,

де - струм неробочого ходу (при номінальної напрузі ); - момент навантаження і напруга (всі величини відносні);

- відсутня до даного часу в практиці розрахунків електропривода залежність від часткових навантажень

,

де - відносна кутова швидкість при зниженої напрузі; - коефіцієнт якості двигуна;

- заощадженої внаслідок прийнятих мір енергозбереження потужності

, (1)

де - змінні втрати при номінальному навантаженні; - сталі втрати при номінальній напрузі.

Проведено порівняльний аналіз результатів, отриманих запропонованою узагальненою методикою розрахунку енергетичних характеристик АД та існуючими методиками, при цьому розбіжність не перевищує 5%. Рекомендовано застосування запропонованої методики як у практиці інженерних розрахунків, так і при фізичній реалізації пристроїв на базі мікропроцесорної техніки, крім того, отримані аналітичні залежності дозволяють давати кількісну оцінку енергетичної ефективності вжитих заходів енергозбереження, вирішувати задачі енергетичної оптимізації АЕП.

Дослідження роботи енергозберігаючого АЕП із системою ТПН-АД у статичних і динамічних режимах проводилося на підставі функціональної схеми (рис. ).

Завдання напруги на виході ТПН забезпечується за законом, що вироблюється блоком 1. Закон зміни напруги в залежності від навантаження виражається залежністю

, (2)

отриманою на підставі виразу для заощадженої потужності (1)

Значення і , необхідні для розрахунку , надходять у блок 1 із блоку контролю БК.

Отриманий закон енергозберігаючого керування (2), покладений в основу розробленого узагальненого алгоритму енергозберігаючого керування АЕП, дозволяє при зміні моменту навантаження знаходити режим роботи АД, що забезпечує максимум заощадженої електроенергії.

Проведено моделювання асинхронного електродвигуна з урахуванням роботи тиристорного перетворювача напруги. При моделюванні АД осі трифазних координат сполучають з магнітними осями обмоток фаз реальної асинхронної машини. У якості змінних стану вибираються потокозчеплення статора і ротора. У випадку неповнофазних режимів, коли, як це має місце в електроприводі ТПН-АД, чергуються інтервали трифазної провідності вентилів з різними варіантами двофазної, опис проводиться в лінійних величинах. Обов'язковим є урахування нелінійностей АД – ефекту витиснення струму і насичення ділянок магнітного ланцюга.

На підставі проведених експериментальних досліджень (рис. 2) встановлено, що найбільш висока точність у роботі алгоритму з регулюванням по напрузі досягається в діапазоні навантажень від до (похибка складає не більш 5%). В якості дослідного зразка використовувався асинхронний електродвигун 4АМ100S8/4У3.

У третьому розділі представлені напрямки вдосконалювання існуючих способів енергозбереження в асинхронному електроприводі.

Фактором, що впливає на енергетичні характеристики АД, є магнітний потік, але він впливає також і на інші показники двигуна, тому не може бути обраний довільно. Отже, якщо необхідно забезпечити високі показники при недовантаженнях двигуна, зберігаючи при цьому номінальні показники на інших режимах, необхідно зменшувати магнітний потік у двигуні тільки на час роботи його з недовантаженням.

Отримано схему із секціонуванням фаз статорної обмотки АД, у якого при перемиканні секцій і зміні з'єднання фаз міняється як величина потоку, так і число пар полюсів. При цьому основним енергозберігаючим фактором є зміна потоку, що досягається зміною напруги (рис. ).

Двигун, статорна обмотка якого реалізована за схемою рис. 3, на кожній ступіні швидкості має дві обмотки – основну й енергозберігаючу (економічну). Високій швидкості відповідає основна обмотка: за схемою , економічна – за схемою YY; низькій швидкості відповідає основна обмотка за схемою , економічна – за схемою Y.

Двигуни із секціонуванням фаз можуть забезпечувати регулювання швидкості без полюсоперемикання числа пар полюсів, лише за рахунок зниження напруги на фазу. У цьому випадку зниження напруги впливає одночасно на два енергозберігаючих фактори, швидкість і потік, що є актуальним для деяких груп виробничих механізмів (відцентрові механізми для подачі рідини і газів). При цьому при тій же конструкції статорної обмотки замість двох швидкостей можуть бути отримані три ступіні швидкості.

Дослідження показали, що асинхронні двигуни з підвищеним ковзанням і секціонуванням фаз обмотки статора – без полюсоперемикання (“трикутник” - “трикутник - зірка” - “зірка”) можуть застосовуватися для ступінчатого регулювання подачі нагнітальних механізмів з нульовим або обмеженим статичним напором як альтернатива вкрай неощадливому дросельному способові регулювання.

На рис. 4 у координатних площинах і , що збігаються між собою, побудовані характеристики:

- механічні характеристики асинхронного двигуна : при з'єднанні ланцюга статора “трикутником”; при схемі статора “трикутник – зірка”; при з'єднанні ланцюга статора за схемою “зірка”;

- характеристики нагнітача : природна, тобто при номінальній швидкості, ( ) і ділянки штучних, що відповідають зниженим швидкостям ( );

- характеристики опору трубопровідної мережі : природна, тобто при відсутності додаткових опорів, і штучні, що відповідають додатковим опорам, введеним за допомогою вентилів або заслінок.

Можливі режими роботи системи визначаються точками перетинання характеристик нагнітача, мережі і двигуна: точка А характеризує базовий режим ( ); точки В і С знаходяться на перетинанні природної характеристики опору системи і штучних характеристик нагнітача при зниженій швидкості (при з'єднанні ланцюгів статора “трикутник”, “трикутник – зірка” і “зірка” відповідно).

Режими, обумовлені точками В і С, характеризують спосіб регулювання подачі шляхом зміни швидкості нагнітача. Вони відповідають незмінній (природній) характеристиці опору мережі і змінній характеристиці нагнітача, обумовленій регулюванням швидкості.

Використання секціонованих двигунів з полюсоперемиканням і без полюсоперемикання дає змогу при глибокому зниженні навантаження в два рази зменшити втрати потужності.

При переході з однієї схеми комутації на іншу можуть виникати кидки струмів і електромагнітного моменту, що в ряді випадків приводить до зниження енергетичної ефективності АЕП.

Проведено моделювання переключення схеми обмоток АД 4А132М4У3 у середовищі MATLAB Simulink при найбільш несприятливих початкових умовах (вектори напруги мережі і ЕДС ротора знаходяться в протифазі ) і при найбільш сприятливих (вектори і збігаються по напрямку ). Переключення проводилось при переході моментом навантаження значення (рис. 5).

Контроль взаємного розташування векторів напруги мережі і ЕДС ротора в просторі дозволяє робити перемикання обмоток статора АД з “трикутника на “зірку” і навпаки при зміні навантаження на валу при самих сприятливих початкових умовах. При цьому в 2-4 рази знижуються кидки струмів, виключається можливість появи негативних електромагнітних моментів.. Крім того, застосування переключення схеми обмоток АД з “трикутника” на “зірку” систематично недовантаженого АЕП дозволяє знизити споживану енергію протягом циклу роботи: при переключенні в момент до 5%, при переключенні в момент до 13%.

У четвертому розділі розроблені й експериментально досліджені технічні засоби енергозберігаючого керування асинхронним електроприводом.

Одним із способів модернізації існуючих АЕП є установка блоків керування (БК) силової частини. При розробці БК в дисертаційній роботі враховувалися наступні фактори: простота у виготовленні; легкість настроювання і перенастроювання; використання недорогих комплектуючих елементів; єдність елементної бази; універсальність схем; ефективність в експлуатації. Поряд з модернізацією запропоновано блок керування, заснований на базі багатофункційного пристрою керування (БПК) (рис. ), може бути використаний при розробці і виготовленні систем енергозберіга-ючого керування для нових АЕП.

Узагальнена схема багатофункціонального пристрою керування (рис. 6), містить: - виводи, що підключаються в розрив ланцюга живлення (вимірювання струму); - вивід, що підключається до фази, що не підключена до виводів , призначений для живлення БПК і виміру напруги; - перший керований ключ; - другий керований ключ; - дискретний вхід (призначений для налагодження); - дискретний вихід (індикатор режиму роботи); - загальний вивід.

Одним з прикладів використання багатофункціонального пристрою керування є застосування його для автоматичного регулювання кількості працюючих асинхронних електродвигунів у залежності від навантаження з одночасною реалізацією функції відключення при неробочих ходах системи і захисту від перевантаження. Принципова схема розробленого пристрою представлена на рис. 7.

Проведено експериментальні дослідження пристроїв енергозберігаючого призначення з розробленим блоком керування. В якості дослідних зразків використовувалися два асинхронні електродвигуни 4АМА80А4У3 потужністю , струм неробочого ходу яких складає . Результати експериментального дослідження одного з пристроїв приведені на рис 8.

У ході експериментів доведена працездатність енергозберігаючих пристроїв із блоком керування на БПК, отриманий ефект енергозбереження досягає в кожному окремому випадку (при глибокому зниженні навантаження) до 15-18% від споживаної потужності.

На базі розроблених пристроїв енергозберігаючого керування створена науково – дослідницька лабораторія “Енергозбереження в електроприводі” (кафедра електрообладнання суден ІАЕ НУК). Спроектовано, зібрано і введено в експлуатацію 5 лабораторних стендів.

У п'ятому розділі виконано дослідження способів підвищення стійкості системи ТПН-АД, розглянуто застосування удосконаленої системи для підвищення енергетичної ефективності асинхронного електропривода.

Динаміка електропривода ТПН-АД із синхронізацією вентилів з напругою мережі характеризується нестійкою роботою на робочій ділянці штучних характеристик. Особливо сильно цей ефект виявляється при кутах включення вентилів при роботі з невеликими моментами на валу і малому приведеному моменту інерції. Виникнення автоколивань порушує нормальну роботу розімкнутих систем і ускладнює розрахунок параметрів і настроювання замкнутих систем, погіршує якість регулювання координат і енергетику двигуна і може обмежити області його застосування.

Структурна схема удосконаленої системи електропривода представлена на рис. 9.

Електропривод містить ланку розрахунку кута відкривання вентилів , тиристорний перетворювач напруги з коефіцієнтом передачі й асинхронний двигун , представлений трьома ланками: електромагнітною частиною АД з передатною функцією , механічною частиною приводу у виді інтегруючої ланки і ланки внутрішнього зворотного зв'язку з коефіцієнтом передачі .

Вираз для першої гармоніки вихідної напруги ТПН при синхронізації з напругою мережі має вигляд:

, (3)

де - коефіцієнти рівнянь регресії

; ; .

Коефіцієнт передачі ТПН визначається виразом (3). Ланка умовно позначає функцію, по якій обчислюють фазу струму по еквівалентним активному й індуктивному опорах Т – образної схеми заміщення і поточному ковзанню АД,

, (4)

де ; ; .

Рівняння, що описує ланка , можна одержати шляхом вирішення рівняння (3) відносно

,

де - поперед задане значення напруги.

Як рішення рівняння прийнято корінь

. (5)

Вираз (5) відповідає реальному способові керування, коли в систему імпульсно-фазового регулювання (СІФУ) подається напруга керування, пропорційна заданому кутові. При цьому в систему вводиться негативний зворотний зв'язок за напругою.

У MATLAB Simulink виконано моделювання електропривода з асинхронним електродвигуном 4А100L4У3 при і різних способах керування ТПН (рис. ). Як видно з рис. 10, б система переходить у режим великих незатухаючих коливань, що характеризуються перерегулюванням по швидкості до 20% і піковими значеннями . У той же час застосування закону керування (рис. 10, в) дозволяє стабілізувати стан системи і в три рази знизити коливання швидкості й електромагнітного моменту в порівнянні з прямим пуском при (рис. 10, а).

Як приклад застосування удосконаленої системи керування ТПН-АД для підвищення енергетичної ефективності асинхронного електропривода проведено моделювання роботи приводу стрічкового конвеєра. Керування кутом включення тиристорів здійснюється за законом (5) , що забезпечує стійку роботу системи ТПН-АД із синхронізацією вентилів з напругою мережі. Розрахунок оптимальної напруги в залежності від моменту навантаження виробляється за виразом (2). Для забезпечення безударного пуску проводилась зміна напруги від до за час .

При цьому застосування системи енергозберігаючого керування спільно зі штатним АД () дозволяє знизити сумарну споживану енергію за цикл роботи на 11% у порівнянні з роботою електропривода від мережі.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу енергетичного стану асинхронного електропривода показано, що підвищення енергетичної ефективності АЕП може бути досягнуто за рахунок удосконалення засобів енергозбереження і систем енергозберігаючого керування АЕП.

2. Отримані нові кількісні залежності між енергетичними показниками асинхронного електропривода, моментом навантаження і прикладеною напругою використовуються для розробки алгоритму керування АЕП, що забезпечує максимум заощадженої електроенергії.

3. Запропонований спосіб перемикання обмоток статора АД з “трикутника” на “зірку” і навпаки при зміні навантаження дозволяє забезпечити зниження енергії, що споживається за прийнятий цикл роботи на 10-15% і одночасно досягнути зменшення в два-чотири рази кидків струму при перемиканнях, довести до мінімуму можливість появи негативних електромагнітних моментів.

4. Доведено можливість використання з метою енергозбереження секціонування статорних обмоток АД з полюсоперемиканням і без полюсоперемикання, що дозволяє при глибокому зниженні навантаження в два рази зменшити втрати потужності.

5. Розроблено блок керування систем енергозберігаючого керування АЕП на базі мікропроцесорної техніки і показана ефективність його в експлуатації. Він може бути використаний як при модернізації існуючих, так і при розробці і виготовленні нових асинхронних електроприводів.

6. Розроблено, створено і випробувано пристрої енергозберігаючого призначення для АЕП із запропонованим блоком керування. Експериментально отримано енергозбереження, що досягає 10-18% від споживаної енергії.

7. Удосконалена система енергозберігаючого керування ТПН-АД із синхронізацією вентилів з напругою мережі дозволяє знизити імовірність виникнення автоколивань і одночасно оптимізувати енергоспоживання електропривода, завдяки цьому сумарна споживана енергія за заданий цикл роботи електропривода конвеєра може бути знижена на 10-12%.

8. Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при впровадженні пристроїв енергозберігаючого призначення на підприємствах ТОВ “Онікс” (м. Миколаїв) і ТОВ “Политехпром” (м. Миколаїв), а також у створенні стендів науково-дослідної лабораторії “Енергозбереження в електроприводі”, введеної в експлуатації в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Волянская Я.Б. Асинхронный электродвигатель как первичный преобразователь устройства для измерения момента нагрузки // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2000. – №5 (371). – С. 141-147.

2. Волянская Я.Б. Алгоритм энергосберегающего управления асинхронным электродвигателем // Зб. наук. праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2004. – №6 (399). – С. .

3. Волянская Я.Б. Повышение устойчивости системы ТПН-АД с синхронизацией вентилей с напряженим сети // Электротехника и электромеханика: Материалы международной научно-технической конференции, 15-16 ноября 2005 г. – Николаев: НУК, 2005. – С. 9-11.

4. Волянская Я.Б. Энергетическая оптимизация при схемных переключениях обмоток статора асинхронного двигателя // Електромашинобудування та електрообладнання. Респ. міжвід. наук.-техн. зб. – 2005. – Вип. 65. – С. 11-14.

5. Волянская Я.Б., Краснов В.В. Ток статора асинхронного электродвигателя при изменении нагрузки и напряжения питания // Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2005. – Вип. №4(33). – С. 66-69.

6. Костенко Д.В., Волянская Я.Б. Энергосберегающее управление асинхронным электроприводом с использованием микропроцессорной техники // Зб. наук. праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2005. – №3 (402). – С. 101-110.

7. Костенко Д.В., Волянская Я.Б. Использование микроконтроллеров в интеллектуальных реле для асинхронных электроприводов // Электротехника и электромеханика: Материалы международной научно-технической конференции, 25-27 ноября 2004 г. – Николаев: НУК, 2004. – С. 55-56.

8. Локарев В.И. Бережницкая Я.Б. (Волянская) Ресурсосбережение в электротехнических комплексах и системах. – Херсон: Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. – 1998. – № 2(3). – С. 135-143.

9. Локарев В.И., Бережницкая Я.Б. (Волянская), Волянский С.М. Измерительный преобразователь температуры многофункционального измерительного устройства электроприводов // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 1999. – №4(364). – С. 108-113.

10. Локарев В.И., Волянская Я.Б. Методики расчета энергетических характеристик асинхронного электродвигателя при изменении нагрузки и напряжения питання // Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2002. – Вип. №1(4). – С. 167-171.

11. Локарев В.И., Волянская Я.Б. Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели с секционированием фаз статорной обмотки в приводах нагнетательных механизмов // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2003. – №3(389). – С. 98-107.

12. Локарев В.И., Бережницкая Я.Б. (Волянская) Энергосбережение в массовом электроприводе // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: Материалы международной научно-технической конференции, 23-25 декабря 1998 г. – Николаев: УГМТУ, 1998. – С.102-103.

13. Локарев В.И., Волянская Я.Б. Двухскоростной асинхронный электропривод с энергосберегающими ступенями // Електромашинобудування та електрообладнання. Респ. міжвід. наук.-техн. зб. – 2003. – Вип. 60. – С. 9-15.

14. Локарев В.И., Волянская Я.Б. Зависимости для инженерного расчета энергетических характеристик асинхронных электродвигателей при решении задач энергосбережения // Електромашинобудування та електрообладнання. Респ. міжвід. наук.-техн. зб. – 2004. – Вип. 62. – С. 13-16.

15. Локарев В.И., Волянская Я.Б. Электротехнические устройства на основе многофункциональных электромагнитных компонентов // Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації // Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2004. – Вип. №1(4). – С. 57-62.

16. Локарев В.И., Волянская Я.Б. Методика расчета электроприводов промышленных механизмов // Електромашинобудування та електрообладнання. Респ. міжвід. наук.-техн. зб. – 2001. – Вип. 56. – С. 26-31.

17. Локарев В.И., Волянская Я.Б. Инженерная методика энергетических расчетов асинхронних электроприводов // Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів: Матеріали всеукраїнської науково-технічної конференції з міжнародною участю, 19-21 травня 2005 р. – Миколаїв: НУК, 2005. – С 62-67.

Волянська Я.Б. Удосконалення систем енергозберігаючого керування асинхронним електроприводом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи. – Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.

Розроблено узагальнену методику розрахунку енергетичних характеристик АД при зміні навантаження і напруги живлення. Серед виведених залежностей нові співвідношення для струму статора АД, заощадженої електроенергії, при часткових навантаженнях. Запропоновані залежності дозволяють вирішувати задачі оптимізації АЕП, обґрунтовувати технічні рішення при розробці систем енергозберігаючого керування. Розроблено узагальнений алгоритм енергозберігаючого керування АЕП з регулюванням напругою, що дозволяє при зміні моменту навантаження знаходити такий режим роботи АД, при якому досягається максимум заощадженої електроенергії. Проведено експериментальне дослідження роботи алгоритму.

Виконано удосконалення існуючих способів енергозбереження АЕП. Запропоновано спосіб перемикання обмоток статора АД з “трикутника” на “зірку” і навпаки при зміні навантаження. Доведено можливість використання з метою енергозбереження секціонування статорних обмоток АД з полюсоперемиканням і без полюсоперемикання.

Розроблені, створені і випробувані пристрої енергозберігаючого призначення для АЕП із запропонованим блоком керування на базі мікропроцесорної техніки. Експериментально отримано ефект енергозбереження.

Удосконалено систему енергозберігаючого керування ТПН-АД із синхронізацією вентилів з напругою мережі, що дозволяє знизити імовірність виникнення автоколивань і одночасно оптимізувати енергоспоживання електропривода.

Ключові слова: енергозберігаюче керування, мінімізація втрат, моделювання, регулювання напруги, синхронізація вентилів.

Волянская Я.Б. Совершенствование систем энергосберегающего управления асинхронным электроприводом. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы. – Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2006.

Работа посвящена вопросам повышения энергетической эффективности недогруженного асинхронного электропривода путем совершенствования систем энергосберегающего управления АЭП.

Показано, что основным способом энергосбережения незагруженных асинхронных электродвигателей является регулирование потока. Этот способ может быть реализован с помощью плавного или дискретного регулирования напряжения, путем перехода от однодвигательного электропривода к многодвигательному с регулированием числа вводимых в работу двигателей в зависимости от общей нагрузки установки, путем снижения установочной мощности АД на стадии проектирования с учетом энергетического состояния АЭП и др.

Получены обобщенные аналитические выражения энергетических характеристик асинхронного электропривода при изменении нагрузки и приложенного напряжения. Это позволило существенно расширить возможности энергетических расчетов незагруженных электродвигателей при решении задач энергосбережения путем снижения подводимого напряжения, обосновать технические решения при разработке систем энергосберегающего управления, решать задачи энергетической оптимизации асинхронного электропривода. Получен закон энергосберегающего управления, положенный в основу разработанного обобщенного алгоритма энергосберегающего управления АЭП, который позволяет при изменении момента нагрузки находить режим работы АД, обеспечивающий максимум сбереженной электроэнергии.

Определены задачи по созданию математической модели, адекватной электромагнитным и электромеханическим процессам в электроприводе ТПН-АД, указываются допущения и методы решения. Модели АД разрабатываются в трехфазных координатах АВС, фазных и линейных величинах с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения магнитной цепи. Выполнена экспериментальная проверка, построенной на основании обобщенного алгоритма, модели энергосберегающего АЭП с системой ТПН-АД реальному электроприводу ТПН-АД.

Исследованы направления совершенствования существующих способов энергосбережения. В целях энергосбережения предложено использовать способ энергосбережения, основанный на применении АЭП с секционированием фаз статорной обмотки АД и с полюсопереключением и без полюсопереключения. что позволяет при глубоком снижении нагрузки в два раза уменьшить потери мощности.

Предложен принцип переключения обмоток статора АД с “треугольника” на “звезду” и обратно при изменении нагрузки, заключающийся в том, что подключение АД к сети происходит после коммутации обмоток и при совпадении направлений векторов напряжения сети и ЭДС ротора. Проведено моделирование АЭП с переключением обмоток статора АД при изменении нагрузки.

Разработан блок управления систем энергосберегающего управления АЭП, основанный на использовании многофункционального устройства управления (МУУ), построенного на базе микроконтроллера. Проведены экспериментальные исследования устройств с разработанным блоком управления (устройство переключения цепей статорной обмотки АД с “треугольника” на “звезду”, устройство автоматического отключения двигателей в многодвигательном АЭП). В ходе экспериментов доказана работоспособность устройств, получен эффект энергосбережения. На базе предложенных устройств энергосберегающего управления в ИАЭ НУК создана научно – исследовательская лаборатория “Энергосбережение в электроприводе” (пять лабораторных стендов).

Разработанный блок управления на МУУ может быть использован как при модернизации существующих, так и при разработке и изготовлении новых асинхронных электроприводов.

Предложен способ управления системой ТПН-АД с синхронизацией вентилей с напряжением сети, позволяющий стабилизировать состояние системы и в три раза снизить колебания скорости и электромагнитного момента. Показано, что усовершенствованная система управления ТПН-АД с синхронизацией вентилей с напряжением сети может применяться в системах плавного пуска АД.

Усовершенствована система энергосберегающего управления ТПН-АД с синхронизацией вентилей с напряжением сети путем одновременного применения закона управления вентилями, системы плавного пуска и закона энергосберегающего управления. Доказано, что применение усовершенствованной системы энергосберегающего управления ТПН-АД с синхронизацией вентилей с напряжением сети позволяет производить оптимизацию энергопотребления электроприводом.

Ключевые слова: энергосберегающее управление, минимизация потерь, моделирование, регулирование напряжения, синхронизация вентилей.

Volyanskaya Y.B. Improvement of energy saving control systems with asynchronous drive. – Manuscript.

Thesis for the candidate degree in technical sciences: speciality 05.09.03 – Electrotechical complexes and systems. – Odessa National Polytechnical University, Odessa, 2006.

The protect developed generalized methodology for the calculation of energy characteristics of asynchronous drive under the alternated load and power supply voltage. Among the deducted dependences there are new correlations for the stator current of asynchronous drive, for the saved electric power, and for the power factor at partial loads. The suggested dependences allow to solve the tasks of optimization of asynchronous drive, to ground technical decisions upon the development of the systems of power saving control. The project developed generalized algorithm of power saving control of asynchronous drive with the voltage adjustment, which at the alternation of the voltage moment allows to find such conditions for the asynchronous drive operation, at which maximum of the saved electric power is reached. Experimental investigation of the algorithm operation was conducted.

The improvement of the existing methods of asynchronous drive power saving was carried out. The project suggests the switching mode of stator winding of asynchronous drive from “the triangle” to “the star” and vice versa at the load alternation. For the power saving purpose there was proved the possibility of the use of sectioning the stator windings of asynchronous drive with pole switching and without pole switching.

There were worked out, created, and tested devices for the power saving purposes for asynchronous drive with the suggested operation block on the ground of microprocessing engineering.

There was improved the system of power saving control “tiristor voltage transformer - asynchronous drive” with the synchronization of valves with circuit voltage, which allows to diminish the probability of autovibration emergence and, simultaneously, to optimize power consumption of the drive.

Key words: power saving control, minimization of losses, modeling, voltage adjustment, synchronization of valves.