Автореферат (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 2

Выявлено, чтонаибольшими преимуществами для построения энергоэффективной системыуправления электроприводом с АТД является система DTC, она имеет высокоебыстродействие, менее восприимчива к неточности данных о наблюдаемых параметрах объекта управления и возмущениям в процессе регулирования координат.Определен критерий оптимизации, как наиболее эффективный для любых топологий систем управления электроприводом с АД (в частности и для систем DTC), основанный на достижении минимума потребления тока статора от источника электроэнергии.

В системе DTC данный критерий наиболее удобно реализуем при регулировании задания потокосцепления статора в зависимости от текущего заданияна момент АТД.Проблему повышения энергетических показателей систем управления асинхронными электроприводами рассматривали в своих трудах такие исследователикак А.Е.

Козярук, В.В. Рудаков, Л.Н. Макаров, И.Я. Браславский, Н.А. Ротанов,В.В. Литовченко, В.М. Перельмутер, Н.Ф. Ильинский, Б.Ю. Васильев, Б.С. Лезнов,А.Г., Мищенко В.А., Мещеряков В.Н., А.Г. Гарганеев, а также зарубежные авторы:T. Noguchi, I. Takahashi D.W. Novotny, F. Blaschke, J. Holtz, M. Depenbrok и другиеучёные, однако энергоэффективное прямое управление моментом АТД пока исследовано недостаточно и требует дальнейшей проработки.7Во второй главе представлена методика графоаналитического расчета зависимости задания потокосцепления статора от задания на момент и угла между моментообразующими векторами тока и потокосцепления статора в системе DTC, оптимизированной по критерию минимума тока статора АТД. В данной работе расчётпроизводился для АТД АД917УХЛ1, которые установлены на магистральных грузовых тепловозах 2ТЭ25А и гибридном маневровом тепловозе ТЭМ9Н.При оптимальном регулировании задания потокосцепления статора в зависимости от задания на момент изменяется и угол между моментообразующими векторами.

Предварительно была произведена приближенная оценка угла между векторами тока и потокосцепления статора, оптимального по критерию минимуматока статора, с использованием векторной диаграммы (рисунок 1).Рисунок 1 - Векторная диаграмма напряжений, потокосцеплений и токов АДВ ряде работ показано, что в отсутствии насыщения магнитной цепи АД, приминимуме тока статора, проекции вектора тока статора на оси координатной системы, связанной с потокосцеплением ротора ΨR, равны по величине, то есть уголмежду векторами тока статора IS и потокосцепления ротора составляет 45 градусов.Из диаграммы видно, что при этом угол между потокосцеплением и током статорадолжен быть меньше на величину угла между потокосцеплениями статора и ротораθψ , который зависит от потокосцеплений рассеяния статора ψ σS и ротора ψ σR ,определяемых индуктивностями рассеяния статора LσS и ротора LσR и токами статора I S и ротора I R .

В диапазоне токовых нагрузок, характерных для частотнорегулируемых электроприводов, индуктивности рассеяния статора и ротора можнопринять постоянными, поэтому можно считать, что угол между потокосцеплениями статора и ротора изменяется только за счёт изменения нагрузки двигателя. Исходя из этого, в отсутствие насыщения и при очень малых нагрузках (в пределах до80,1 номинальной нагрузки) оптимальный угол между током и потокосцеплениемстатора должен приближаться к 45 градусам, а затем при небольшом увеличениинагрузки и отсутствии насыщения должен постепенно снижаться на величину, зависящую от параметров АД, но незначительно, - не более, чем до 40 градусов, таккак индуктивности рассеяния весьма малы.Далее, по мере увеличения момента на валу двигателя и потокосцеплениястатора выше 0,5 номинального значения, возникает и растёт насыщение магнитной цепи и соответственно в системе координат, ориентированной по потокосцеплению ротора, нарушается пропорциональность между продольной составляющейтока статора и потокосцеплением ротора, и увеличивается оптимальный уголмежду векторами тока статора и потокосцепления ротора в зависимости от параметров двигателя до 55-60 градусов при номинальной нагрузке.

Угол θψ между потокосцеплениями статора и ротора при номинальной нагрузке также зависит от параметров двигателя. Например, для АТД локомотивов он лежит в пределах 9-11градусов, поэтому для АТД при номинальной нагрузке оптимальный по критериюминимума тока угол между током и потокосцеплением статора должен лежать впределах 44 - 51 градус.Методика графоаналитического расчета оптимальной по критерию минимума тока статора зависимости задания потокосцепления статора и угла между моментообразующими векторами от задания на момент АТД предполагает использование нелинейной зависимости взаимной индуктивности Lm от тока намагничивания Im для учета насыщения магнитной цепи АТД (рисунок 2).Расчет оптимальной зависимостизадания потокосцепления статора от задания на момент производится на основе Т-образной и Г-образной схем замещения АТД с учетом коэффициентаС1, отражающего взаимосвязь междупараметрами схем замещения.Задаваясь для требуемого значения момента и f1 определенной величиРисунок 2 –Зависимость главной индук- ной Us (предварительно из закона Us/f1= const), рассчитываем скольжениетивности асинхронного двигателяАТД, выразив его из формулы:АД917УХЛ1 от тока намагничиванияRR'pm1USM =';RR 2' 22π f1 ( RS + C1) + ( X S + C1 X R ) S2S(1)9Коэффициент C1 рассчитывается следующим образом, причём потери в магнитной цепи не учитываются, С1 считается далее действительным числом:C1 = 1 +Zs;Xm(2)Затем предварительно с использованием Г-образной схемы замещения АДопределяется ток ротора, приведенный к цепи статора, по известному из теорииэлектрических машин выражению:IR' =U SRR'( RS + C1) + j ( X S + C1 X R' )S;(3)Далее предварительно принимаем величину Lm для рассчитываемой точки,опираясь на данные зависимости главной индуктивности от тока намагничивания(рисунок 1) после чего можно приблизительно рассчитать ток намагничивания:UIm ≈ S ;(4)jX mПолучившееся значение Im сопоставляем со значением, которое будет соответствовать принятому значению Lm по рисунку 2.

При большом рассогласованиивыбираем другое значение Lm и повторяем расчет тока намагничивания. Подбираемдо наиболее близкого совпадения значений тока намагничивания расчетного и полученного по кривой Lm=f(Im).После определения тока намагничивания необходимо вычислить значениетока статора, что реализуется в соответствии с Т-образной схемой замещения:I=Im + IR ' ;S(5)Вычислив IS, определяем по Т-образной схеме замещения величину ЭДС:=E U S − IS Z S ;Далее корректируем значение тока намагничивания:I = E ;mjX m(6)(7)Корректируем значение тока ротора по вычисленному значению ЭДС (6),опираясь на Т-образную схему замещения:IR' =ERR'+ jX R'S;(8)10Проводим повторно расчет по формулам 5-7, учитывая уточненное значениетока ротора по формуле (8), до тех пор, пока скорректированные значение Im будутнезначительно отличаться друг от друга.Потом необходимо вычислить потокосцепления статора, сложив векторглавного потокосцепления и вектор потокосцепления рассеяния статора:ψ=ψ m +ψ σ S ; ψ m = Lm I m ; ψ σ S = Lσ S I S ;S(9)После чего для выбранного значения момента АТД и частоты f1изменяем величинунапряжения статора Us (сначала вниз от исходной величины, затем вверх по нескольку значений) и для каждого повторяем расчёт по формулам (1-9).Совокупность всех точек данногорасчёта сформируют U-образную кривую отражающую зависимость токастатора от потокосцепления статорадля заданного момента АТД.

На рисунке 3 представлена U-образная кривая, показывающая минимум тока статора для момента равного М = 0,5МномРисунок 3 – U-образная кривая минипри температуре обмоток +110ºС и –мума тока статора для М = 0,5Мном20ºС.Далее необходимо повторить вычисления по данной методике для каждого значения момента (таблица 1), выбранного для расчёта. После чего получитсясовокупность опорных точек для построения необходимой энергоэффективной зависимости потокосцепления статора от момента (рисунок 4) при реализации управления по критерию минимума тока статора в системе прямого управления моментом АТД.Параллельно в процессе расчёта по данной методике определялась такжевеличина угла между векторами тока и потокосцепления статора при оптимальнойвеличине потокосцепления статора для различных нагрузок (оптимального угламежду моментообразующими векторами).

Для номинальной нагрузки АТД оптимальный угол составил 50о, что входит в интервал значений, полученных при предварительной приближённой оценке с использованием рисунка 1.Таблица 1 - Опорные точки зависимости оптимального задания потокосцепления статора от задания момента АТД№ п/пМ/МномΨ/Ψном10,10,5520,250,7530,50,940,751511,161,251,171,51,1511Расчеты были выполнены для температуры обмоток равной +110°С и -20°С.Энергоэффективные зависимости Ψ*ЗАД = f(M*) для этих температур (рисунок 3)практически совпадают. При снижении температуры несколько снижаются токиАД (рисунок 3) из-за уменьшения скольжения, но при этом оптимальные значениязадания потокосцепления статора практически сохраняются, что подтверждает довольно низкое влияние температуры обмоток АТД на величину оптимального задания потокосцепления статора.Для наглядного представления достигаемого эффекта снижения тока статорабыли построены совмещенные зависимости тока статора от момента нагрузки приреализации энергоэффективного управления и при традиционном построении системы прямого управления моментом для тягового асинхронного электродвигателяАД917УХЛ1, представленные на рисунке 5.Рисунок 4 – Зависимости оптимальногопо критерию минимума тока статора задания потокосцепления статора от задания на момент АТДРисунок 5 – Совмещенные зависимоститока статора от задания на момент АТДв относительных единицах при энергоэффективном и обычном управленииЗависимости оптимального потокосцепления и угла были аппроксимированыдля более удобного их использования при реализации энергоэффективной системыуправления.

Функции полиномов имеют вид:*ψ S=0,5991⋅ M *3 − 1,7982 ⋅ M *2 + 1,851⋅ M * + 0,3634(10)−3,7671⋅ M *3 + 1,9468 ⋅ M *2 + 17,9069 ⋅ M * + 41,5311θS =(11)В третьей главе разработан способ энергоэффективного управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями в системе DTC. Реализованафункциональная схема системы управления (рисунок 6) и алгоритм управления12АТД локомотива, основанный на регулировании величины задания потокосцепления статора с целью достижения минимума тока статора.