Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 5

Алгоритм25нечеткой логики, представленный в [84] с применением фаззи – регуляторов,учитывает отклонение оптимального угла по критерию минимума потерь в АДмежду моментообразующими векторами при нагреве обмоток статора и ротора, атакже потери в стали и насыщение магнитной цепи электродвигателя.Рисунок.1.4 Векторная диаграмма потокосцеплений и токов асинхронногоэлектродвигателя в системе координат α, βТакжевданнойработепредложенвариантфорсировкизаданияпотокосцепления статора для улучшения динамических процессов в асинхронномэлектроприводе при реализации энергосберегающего алгоритма.Отмечаяособенностипоисковыхалгоритмовпридостиженииэнергосбережения, следует указать следующее.

Наряду с критерием поискаминимума потребляемого тока также имеется критерий поиска максимума cosφасинхронноймашины.Поискмаксимумаcosφнепозволяетполучитьпреимущество по сравнению с минимизацией потребляемой мощности (илиминимизациейпотреблениятокастатора)сточкизрениясложностиматематических вычислений, так как cosφ определяется также при помощи26вычисления векторов тока и напряжения. Критерий минимизации тока обладаетпреимуществом более простой реализации алгоритма, особенно в системепрямого управления моментом.Также в [84] отмечается, что регулирование по критерию минимума токастатора и регулирование по минимуму потерь в АД (минимуму потребляемоймощности) не всегда соответствуют друг другу.

Алгоритм поиска минимумапотребляемой мощности требует десятых долей секунды для определенияоптимального значения, что неприемлемо для быстродействующих механизмов смалымирабочимициклами.Какследствие,поисковыйалгоритм,оптимизированный по критерию минимума потребляемой мощности, может бытьприменен исключительно в электроприводах, работающих с постоянной нагрузкойс условием, что они будут гораздо ниже номинальных [84].При реализации энергосберегающего алгоритма со всей остротой возникаетпроблемауменьшенияперегрузочнойспособностиасинхронногоэлектродвигателя при снижении питающего напряжения. Система управлениямогла бы понижать с целью энергосбережения магнитный поток при снижениимомента нагрузки и, следовательно, понижать напряжение АД.

Однако необходимоучитывать, что критический момент пропорционален квадрату напряжения иопределяется по следующей формуле [14]:Mm = ±[pm1U 122ω1 ± r1 + r12 + ( xσ 1 + xσ' 2 )2],(1.2)где U1 – действующее значение фазного напряжения АД; ω1 =2πf1- угловая частотафазного напряжения (тока); p- число пар полюсов; m1 – число фаз обмотки статора;r1, r2’, xσ1, xσ2’ – параметры Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя.Из формулы (1.2) видно, что при снижении потока (и напряжения) АДснижается его перегрузочная способность, и это обязательно нужно учитывать припостроении систем энергоэффективного управления.На данный момент большинство векторных систем управления асинхроннымэлектроприводом, в частности, и система с прямым управлением моментом, не27используют регулирование задания потокосцепления статора ΨSз и работают приполном поле на постоянном номинальном значении задания потокосцепления.

Врезультате, даже при минимальных нагрузках электропривода, задание по каналупотокосцепления статора остаётся неизменным на номинальной величине, имагнитные потери будут такими же, как при номинальной нагрузке, вследствиечего возникают неоправданные затраты электроэнергии и снижается к.п.д.Регулируя задание по каналу потокосцепления статора при различныхнагрузках электропривода, можно добиться снижения тока статора и потребляемойэлектроэнергии от источника питания. Также, основываясь на уже проведенныхисследованиях в области оптимизации энергоэффективности электроприводов,целесообразно дополнительно определять угол между моментообразующимивекторами для контроля правильности функционирования системы.Уравнениеэлектромагнитногомоментаасинхронногодвигателясмоментообразующими векторами тока и потокосцепления статора имеет вид:=M3pn I S ⋅ ψS ⋅ sin ( θS ) ,2(1.3)где θS – угол между векторами тока статора и потокосцепления статора.В системе асинхронного электропривода с прямым управлением моментомдля целесообразно использовать как моментообразующие вектора именно векторатока и потокосцепления статора, отражённые в формуле (1.3)., поскольку системапрямого управления моментом уже в своей структуре имеет контур регулированияпотокосцепления статора.В работе [85] приведен сравнительный анализ классических векторныхсистем и систем прямого управления моментом с точки зрения реализациистатических и динамических характеристик электропривода.

В динамическихрежимах система с прямым управлением моментом предпочтительней, в связи сболее быстрой реакцией на управляющее воздействие при использованиирелейныхрегуляторов.Новстатическихрежимахдлявысокоточных28электроприводов достаточно высокие пульсации момента снижают показателикачества системы управления [85]. Снижение пульсаций момента, если этонеобходимо, возможно при помощи увеличения частоты переключения ключейАИН, что с другой стороны, ограничено возможностями микроконтроллера,используемого в системе управления, и увеличивает потери в статическомпреобразователе.

Но в наше время бурого развития базы полупроводниковыхэлементов данная проблема становится всё менее острой.Выводы1. Подводя итог проведённому анализу, можно констатировать, чтопредпочтительным вариантом построения энергоэффективной системы длятягового электропривода является использование системы прямого управлениямоментом, оптимизированной по критерию минимума тока статора.2.Выявлено,чтоалгоритмы,повышающиеэнергоэффективностьэксплуатации электроприводов, целесообразно применять в определенныхрежимах работы электропривода, когда энергосбережение не окажет негативноговлияния на статические и динамические характеристики при реализациинеобходимого технологического процесса.3. Поскольку система прямого управления моментом обладает высокимбыстродействием, невосприимчива к возмущениям и неточности информации осостоянии параметров двигателя, целесообразно использовать именно её дляреализации алгоритмов, направленных на энергоэффективное управление тяговымэлектроприводом с асинхронными двигателями, и этому будет способствоватьрешение задач, сформулированных во введении.29ГЛАВА 2.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЗАДАНИЯ ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ СТАТОРАИ УГЛА МЕЖДУ МОМЕНТООБРАЗУЮЩИМИ ВЕКТОРАМИ В СИСТЕМЕПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ АД, ОПТИМИЗИРОВАННОЙ ПОКРИТЕРИЮ МИНИМУМА ТОКА СТАТОРАОптимизация задания потокосцепления статора в зависимости от заданиямомента двигателя по критерию минимума тока статора с целью повышенияэнергоэффективности в системе прямого управления моментом АД можетиспользоваться как в общепромышленном, так и в тяговом электроприводе. Вданной работе эта задача решается преимущественно применительно к тяговомуэлектроприводу.В отечественном и зарубежном тяговом электроприводе (ТЭП) локомотивов,широковнедряютсяколлекторныхдвигателидвигателейпеременноготокапоследовательноговзаментрадиционныхвозбуждения.Наибольшеераспространение на современном подвижном составе, особенно для тяжёлойгрузовойработы,получилиасинхронныетяговыедвигатели(АТД)скороткозамкнутым ротором в силу простоты их конструкции и ряда другихизвестных преимуществ.

В частности, АТД применены на отечественных серийновыпускаемыхтепловозах2ТЭ25А, электровозахЭП20, 2ЭС10,опытномэлектровозе 2ЭВ120, гибридном маневровом тепловозе ТЭМ9Н [66].Отталкиваясь от особенности эксплуатации тяговых электроприводов, естьвозможность выявить существенный ресурс повышения их энергоэффективности.Анализируя режимы работы тяговых электроприводов локомотивов, можнозаключить, что при неполновесном составе, движении по легкому профилю путиесть возможность снижения потребляемой мощности от источника электроэнергиипосредством модернизации алгоритма работы системы управления асинхроннымтяговым двигателем. При применении в тяговом электроприводе системы прямогоуправления моментом - это возможность оптимизации задания потокосцеплениястатора с целью снижения потребления тока статора (по критерию минимума токастатора).30В тяговом электроприводе существуют и другие технические решения, такиекак отключение некоторого числа тяговых электродвигателей при движениилокомотива при неполновесном составе и (или) легком профиле пути, которые, незатрагиваяалгоритмысистемыуправления,позволяютповыситьэнергоэффективность электропривода.

Данный метод описан в работе [88], здесьпредложен алгоритм адаптивного автоматического управления энергетическойэффективностью электровоза ЭП20 с асинхронными тяговыми двигателями (АТД)путем регулирования их числа. Результатом служит стабилизация значений к.п.д.электровоза ЭП20 при работе с неполной (частичной) нагрузкой на уровне,приближенном к его номинальному значению. Что непосредственно способствуетповышению энергоэффективности локомотивной тяги и экономией электрическойэнергии.Однако частые отключения и пуски АТД могут привести к егопреждевременному выходу из строя и нестабильной работе в зимний периодэксплуатации, что является недостатком данного технического решения и неснижает актуальности развития алгоритмов энергоэффективного управления АД.Как было отмечено ранее, электроприводы с асинхронными двигателями,которые питаются от преобразователей частоты инверторного типа, находят всебольшее применение в промышленности и на транспорте в связи с активнымразвитием полупроводниковой элементной базы силовой электроники и системуправления.

Поэтому, наряду с обеспечением требуемого быстродействия иточности при регулировании скорости и момента АД, все большую актуальностьприобретает вопрос энергосбережения средствами управления двигателями [87].2.1 Математическое описание методики предварительной оценки оптимальногоугла между векторами тока и потокосцепления статора асинхронного тяговогоэлектродвигателяКритерий минимума тока статора подразумевает регулирование магнитногопотока машины в зависимости от нагрузки АД, что ведёт к поддержанию на31определенном уровне взаимного положения моментообразующих векторов ввыбранной системе координат.Выбор системы координат зависит напрямую от выбранной системыуправления электроприводом, а также от особенностей реализации требуемыхалгоритмов для достижения поставленной задачи.Наибольшими преимуществами и соответственно популярностью средиклассических систем векторного управления обладают системы управления споддержанием вектора потокосцепления ротора на определенном заданномзначении.