Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 16

Среднее значение угла между векторами тока и потокосцеплениястатора устанавливается в данном опыте на уровне 46о, задание потокосцеплениястатора при этом составляет ΨSз = 0,68ΨSн.Однако возрастает частота коммутаций вентилей автономного инверторанапряжения, поэтому целесообразно было бы расширить гистерезисный допускрелейного регулятора момента [3].На рисунке 4.9а для номинальной частоты вращения АТД приведены108зависимости к.п.д. от нагрузки при обычном и энергоэффективном управлении, нарисунке 4.9б – зависимости процентного снижения тока статора от нагрузки приэнергоэффективном управлении по сравнению с традиционным управлением.Рисунок 4.9. Зависимости к.п.д.

и процентного снижения тока статора АТД от моментаа) зависимость к.п.д. АТД от момента: 1 – при энергоэффективном управлении; 2 – приобычном управлении; б) зависимость процентного снижения тока статора АТД отмоментаВовторойзонерегулированияприуменьшениипотокосцепленияэнергосберегающий эффект зависит от скорости локомотива и глубины ослабленияполя. В начале режима ослабления потока, когда АТД вращается со скоростьюнемного выше номинальной и малых нагрузках ТЭП энергосберегающий эффектснижается незначительно и близок к эффекту при номинальной скорости и полномполе. При высоких скоростях локомотива и глубоком ослаблении поляэнергосберегающий эффект существенно снижается, так как увеличиваются109механические потери в АТД, а магнитный поток двигателя при высоких скоростяхв режиме традиционного регулирования потокосцепления уже существенноуменьшен по отношению к его номинальному значению.

Дальнейшее снижениепотока может не только не дать ожидаемого эффекта, но и привести кнедопустимому уменьшению критического момента АТД.4.3 Проверка принципов энергоэффективного регулирования АД на лабораторномстендеПредложенныепринципыэнергоэффективногопрямогоуправлениямоментом АД и правильность методики расчета оптимальной по критериюминимума тока зависимости потокосцепления статора от задания момента былипроверены на лабораторной установке, представленной на рисунке 4.10.Установка оборудована преобразователем частоты ACS850 (позиция №3 нарисунке 4.10) фирмы ABB c DTC с подключенным к нему асинхроннымэлектродвигателем АО2-42-4У3 (позиция №2 на рисунке 4.10).Рисунок 4.10. Лабораторная установка для испытаний разработанной системыуправления110Также для проведения эксперимента к преобразователю частоты ACS850подключен ПК с установленным специальным программным обеспечениемDriveStudio v1.5, которое также разработано фирмой ABB.

Дополнительно кэлектродвигателю был подключен тахогенератор для отображения текущейчастоты вращения и сравнения с показаниями модели системы управления,которые отображаются в среде DriveStudio.Схема подключения частотного преобразователя к электродвигателю иперсональному компьютеру представлена на рисунке 4.11.Рисунок 4.11. Структурная схема подключения преобразователя частотыACS850 к электродвигателю и периферийным устройствамТакже на данной схеме отображена возможность подключения внешнихустройств по различным интерфейсам, в частности программируемых логическихконтроллеров по интерфейсным и физическим каналам.Частотный преобразователь ACS850 может работать как в режимерегулирования скорости, так и в режиме регулирования момента. В нашем случаевыходной координатой является скорость электродвигателя, поскольку физическив лаборатории есть возможность снимать показания скорости вращения вала.

И длясравнения реальных показаний датчика и значений, полученных от частотногопреобразователя, был выбран режим регулирования скорости.111Номинальные параметры асинхронного двигателя АО2–42–4У3:−Номинальная мощность Мном = 2.8кВт;−КПД η = 87%;−cosφ = 0.84%;−номинальное скольжение S = 5.7%.−номинальный ток I = 6A;−номинальная частота вращения n = 1420 об/мин;−номинальное действующее фазное напряжение Uн = 220 В;−номинальная частота fн=50 Гц.Следует отметить, что ввиду того, что для проверки разработанныхэнергосберегающихалгоритмовсистемыуправленияасинхроннымэлектроприводом было найдено решение с использованием программных средствприлагаемых комплектно к частотному преобразователю ACS850 фирмы АВВ,поэтому потребность в разработке специального программного обеспеченияотсутствует.Была проведена работа по исследованию разработанных алгоритмовуправления на лабораторной установке. Подробно исследовался процессопределенияоптимальногозаданияпотокосцеплениястатора.Приэтомконтролировался ток статора, электромагнитный момент и потокосцепление АД.Вид рабочего окна приложения DriveStudio 1.5 (далее DS 1.5) представлен нарисунке 4.12.

В данном рабочем окне и в дальнейшем на остальных изображениях,полученных с помощью данного приложения, график желтого цвета – этопотокосцепление статора АД, график зеленого цвета – момент, синего – токстатора.Так как для поиска минимума тока статора нам необходимо регулироватьпотокосцепление статора, то, следовательно, нужно определить настроечныйпараметр в приложении DriveStudio v1.5, с помощью которого можно было быосуществлять данное регулирование.

И таким параметром является Flux_ref(рисунок 4.13).112Рисунок 4.12 Общий вид рабочего окна приложения DriveStudio 1.5Рисунок 4.13. Окно среды DriveStudio для настройки параметров системыуправления преобразователя частоты ACS850113Для двигателя АО2–42-4У3, используемого на лабораторной установке,предварительно была снята характеристика намагничивания. Характеристиканамагничивания получена на основе опыта холостого хода, при регулированиипитающего напряжения двигателя индукционным регулятором.Учитывая, что при холостом ходе у асинхронного двигателя ЭДСприблизительно равна напряжению на обмотках статора, можно определитьвеличину потокосцепления, при этом зная частоту питающей сети:U S ≈=E 4.44 f1 ⋅ψ m ;(4.9)Для построения характеристики намагничивания необходимо такжеполучить ток намагничивания при определенной величине напряжения статора.Лабораторный стенд позволяет получить величина фазных токов статора, которыепри опыте холостого приблизительно равны току намагничивания IS ≈ Im.В результате была получена характеристика намагничивания асинхронногодвигателя АО2–42-4У3, которая представлена на рисунке 4.14.Рисунок 4.14 Характеристика намагничивания асинхронного двигателя АО2–424У3114Далее по методике, описанной в главе 2, раздел 2.2, был произведен расчетоптимальной энергоэффективной зависимости задания потокосцепления статора взависимости от момента нагрузки.

На рисунке 4.15 приведена энергоэффективнаязависимость задания потокосцепления статора от момента в относительныхединицах.Рисунок 4.15 Энергоэффективная зависимость задания потокосцеплениястатора от момента асинхронного двигателя АО2–42-4У3Для проверки разработанной методики расчета оптимальной зависимостизадания потокосцепления статора от момента АД и энергоэффективного алгоритмав целом было проведено три опыта:1. Запуск двигателя на частоту вращения вала равную 750 об/мин при моментенагрузки равном 25% номинального значения;2.

Запуск двигателя на частоту вращения вала равную 750 об/мин при моментенагрузки равном 50% номинального значения;3. Запуск двигателя на частоту вращения вала равную 750 об/мин при моментенагрузки равном 72% номинального значения.115Каждый опыт проводился в следующей последовательности:− сначала производился пуск АД без нагрузки− после выхода на установившийся режим производилось увеличение нагрузкидо необходимого значения каждого опыта;− после выхода на установившийся режим при заданном моменте нагрузкиреализовывалось регулирование величины задания потокосцепления статорав относительных величинах от номинального потокосцепления.Результаты опыта №1 представлены на рисунке 4.16, опыта № 2 на рисунке4.17 и результаты опыта № 3 представлены на рисунке 4.18. На данных рисункахотражен временной интервал (ось абсцисс – время, с), на котором ток статора(синий график) при данной нагрузке имеет минимальное значение.

Приминимальном значении тока статора каждого опыта фиксировалась величиназадания потокосцепления статора в относительных величинах. Овалом на рисунках4.16 – 4.18 выделена зона минимального тока статора на протяжении времени всегоопыта (опыты длились 3-4 минуты до нахождения минимума тока с одновременнойфиксацией оптимального задания потокосцепления статора).Для оценки сходимости полученных экспериментальных и аналитическирассчитанных данных на рисунке 4.19 указаны точки (красным цветом)полученных при эксперименте данных на фоне расчетной кривой оптимальногопотокосцепления, представленной на рисунке 4.15.В первом опыте (М = 0,25·Мном, рисунок 4.16) снижение тока статорадостигло 10-11% относительно величины тока при номинальном заданиипотокосцепления статора.

При этом задание потокосцепления статора былоснижено до Ψ = 0,78·Ψном (первая точка, рисунок 4.16)Во втором опыте (М = 0,5·Мном, рисунок 4.17) снижение тока статорадостигло 1-2% относительно величины тока при номинальном заданиипотокосцепления статора. При этом задание потокосцепления статора былоснижено до Ψ = 0,96·Ψном (вторая точка, рисунок 4.17)В третьем опыте (М = 0,72·Мном, рисунок 4.18) снижение тока статорадостигло 3-4% относительно величины тока при номинальном задании116потокосцепления статора.

При этом задание потокосцепления статора былоповышено до Ψ = 1,07·Ψном (третья точка, рисунок 4.18).При проведении всех опытов изменение задания потокосцепления статорапроизводилось ступенчато. Это означает, что потокосцепление статора менялосьтолько после достижения асинхронным двигателем установившегося режима прикакой-либо нагрузке. Изменение задания потокосцепления статора производилосьаналогично изменению напряжения в графоаналитической методике, описанной вовторой главе, раздел 2.2. То есть изменялось вверх и вниз от номинальногозначения в целях поиска экстремума тока статора.Меняя величину задания потокосцепления статора от большей к меньшей инаоборот, можно увидеть минимум тока статора в виде U-образной кривой,аналогичной кривой, представленной на рисунке 2.6 с явно выраженнымминимумом тока при определенной величине момента нагрузки.