Режимы энергосбережения в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями

Некоторые современные полупроводниковые преобразователи (ТПН и ППЧ) в виде дополнительной функции содержат так называемый режим энергосбережения. Рассмотрим возможности этого режима на примере преобразователя частоты со скалярным управлением.

Средством дополнительного энерго­сбережения при частотном управлении асинхронным двигателем является разработка такого алгоритма управления, который оп­тимизировал бы магнитный поток. Оптимизация магнитного по­тока позволяет несколько снизить потребляемую мощность путем снижения уровня напряжения при работе в установившемся ре­жиме. В переходных режимах следует использовать регулирование с номинальным потоком, так как работа с оптимальным по усло­виям энергосбережения магнитным потоком связана с существенным уменьшением перегрузочной способности двигателя, что не позволяет достичь необходимого динамического момента.

Для того чтобы оценить эффективность оптимизации магнит­ного потока, можно воспользоваться Г-образной схемой замещения асин­хронного двигателя в статических режимах для анализа установившихся ре­жимов работы АД. Задача заключается в том, чтобы при заданном моменте нагрузки и заданной скорости ротора определить такие значения частоты и амплитуды напряжения, при которых обеспе­чивается минимум потерь в двигателе. Так как при фиксирован­ных моменте и скорости механическая мощность не изменяется, то минимум потерь соответствует минимуму потребляемой мощ­ности и максимуму КПД двигателя. Получение аналитического выражения для амплитуды и частоты напряжения затруднено из-за сложности системы уравнений асинхронного электропривода, которая включает векторные величины и комплексные сопротив­ления, зависящие от скольжения и скорости вращения магнитно­го поля. Вместо этого приведем результаты численного решения этих уравнений без учета возможного изменения параметров схе­мы замещения. Алгоритм решения выглядит следующим образом:

• задается момент нагрузки М _си угловая скорость ω;

• задается действующее значение напряжения U ₁, приложенного к двигателю;

• численно находится такая скорость ω₀, которая при расчете
электромагнитного момента М дает результат М = М _с;

• рассчитываются суммарные потери энергии в двигателе;

• в процессе расчета определяется точка с минимумом потерь энергии и все параметры, соответствующие этой точке.

Проанализируем некоторые результаты моделирования по указан­ному алгоритму для двигателя типа 4A160S2, имеющего Р_ном = 15 кВт. На рис. 2.2 показаны зависимости потерь от амплитуды напряже­ния и моментов нагрузки при ω = ω_ном (а)и ω = 0,5ω_ном (б). Как видно на рис. 2.2, а, возможность снижения потерь имеется лишь при моментах сопротивления М_с < 0,6М _ном. Очевидно, что при снижении скорости диапазон моментов нагрузки, в котором целесо­образно снижать напряжение, уменьшается (см. рис. 2.2, б). В этом случае не рассматривается возможность увеличения напряжения, так как оно приведет к насыщению магнитной цепи.

Возможности экономии потребляемой мощности при различных скоростях и моментах двигателя типа 4A160S2 сведены в табл. 2.1, а на рис. 2.3 показана диаграмма, наглядно иллюстрирующая эконо­мию потребляемой мощности в зависимости от скорости и мо­мента статической нагрузки двигателя типа 4A160S2. Очевидно, что возможности экономии снижаются при увеличении момента нагрузки и уменьшении скорости. В точке М _с = 0,05М _ном,ω = ω_ном можно дополнительно сберечь 3,6 % номинальной мощности. Если сравнить мощность, потребляемую в данном режиме до и после введения оптимизации, то полученная экономия составит 40 %. Однако выражение экономии потребляемой мощности в процентах от номинальной мощности даёт более наглядное, не зависящее от рабочей точки, представление о возможном эффекте.

Аналогичные расчёты были проведены для двигателя типа 4А80А4, имеющего Р_ном=1,1 кВт. В точке М_с=0,05М_ном, ω=ω_ном можно сэкономить до 13 % номинальной мощности. При расчете в этой же точке для двигателя типа 4АН250М4 (Р_ном = 110 кВт) полу­чено 2,4 % экономии. Это подтверждает известный факт увеличе­ния эффективности энергосберегающего режима с уменьшением мощности двигателя.

Энергосберегающий режим может быть осуществлен следу­ющими способами:

Рис. 2.2. Зависимость потерь Δ Р в АД типа 4А160S2 от амплитуды напряжения при постоянной скорости и разных моментах нагрузки при ω=ω_ном (а) и ω=0,5ω_ном (б).

Таблица 2.1.

Экономия потребляемой мощности двигателя типа 4А160S2 в зависимости от скорости и момента статической нагрузки, ΔР/Р_ном, %.

Мс/Мном, %	ω/ωном, %
	0,26	0,36	0,52	0,75	1,05	1,41	1,85	2,37	2,96	3,61
	0,12	0,2	0,34	0,53	0,78	1,1	1,49	1,95	2,47	3,07
	0,03	0,09	0,19	0,34	0,55	0,82	1,16	1,56	2,03	2,57
		0,02	0,08	0,18	0,35	0,58	0,86	1,21	1,63	2,11
			0,01	0,08	0,2	0,38	0,61	0,91	1,26	1,69
				0,01	0,08	0,21	0,4	0,64	0,94	1,31
					0,02	0,09	0,23	0,42	0,67	0,98
						0,02	0,1	0,25	0,43	0,69
							0,02	0,11	0,25	0,43
								0,03	0,12	0,26
									0,02	0,12
										0,02

Рис. 2.3. Диаграмма экономии потребляемой энергии двигателем типа 4А160S2.

1) поддержанием постоянства cosφ₁;

2) поддержанием постоянного скольжения;

3) управлением с использованием модели двигателя;

4) с помощью поисковых алгоритмов.

Перечисленные способы оптимизации, кроме последнего, ис­пользуют информацию о параметрах двигателя, которая, как пра­вило, неизвестна. Загружать систему скалярного управления зада­чами идентификации не представляется целесообразным. Поэто­му наиболее надежным и независимым от свойств конкретного объекта управления методом оптимизации являются поисковые алгоритмы, которые при расчете используют только значения то­ков и напряжений.

В этом случае оптимальный режим достигается путем миними­зации потребляемой мощности, рассчитанной по формуле

Р₁ = 3U₁I₁cosφ₁. (2.9)

В процессе работы система управления итеративно (ступенча­то) изменяет уровень напряжения для отыскания точки мини­мального энергопотребления. Критерием поиска может также слу­жить максимум cosφ₁ или минимум потребляемого тока. Оты­скание максимума cosφ₁ не дает преимуществ перед минимиза­цией мощности с точки зрения вычислительной сложности, так как cosφ рассчитывается также через векторы тока и напряжения. Преимущество в данном случае заключается в том, что максимум cosφ выражен более явно, чем минимум мощности, и он легче локализуется. Недостатком является несоответствие максимального и оптимального cosφ. Преимущество минимизации тока заключа­ется в упрощении реализации алгоритма. Однако это упрощение несущественно, так как на практике приходится использовать процедуры обработки и фильтрации сигналов с датчиков тока. Дополнительное введение в расчет вектора напряжения не приво­дит к заметному усложнению, так как можно использовать задан­ное значение этого вектора при осуществлении векторной ШИМ. Расчет косинусоидальной функции также проводится сравнительно просто даже при использовании относительно несложных микро­контроллеров. Кроме того, регулирование по минимуму тока не соответствует регулированию по минимуму мощности.

При осуществлении энергосберегающего алгоритма возникает проблема снижения перегрузочной способности двигателя при уменьшении напряжения питания. Система управления должна восстанавливать магнитный поток при механическом возмущении, т.е. реагировать на увеличение тока. Критический момент в данном случае пропорционален квадрату напряжения и может быть рассчитан по формуле

. (2.10)

Таким образом, наиболее приемлемым методом оптимизации энергопотребления для преобразователей со скалярным управлением следует признать метод минимизации потребляемой мощности.

В качестве примера на рис. 2.4 представлены характеристики процесса пуска и поиска оптимального напряжения при работе АД в установившемся режиме при ω_ном (P_1*, U_1*, I_1*, ω_* и ω_0* даны в относительных единицах, за базовые величины приняты их номинальные значения).

Рис. 2.4. Характеристики процесса поиска оптимального напряжения при работе АД в установившемся режиме при ω_ном.

Поисковому алгоритму может потребоваться несколько десятков секунд для обнаружения оптимальной точки, что делает его непригодным к использованию в механизмах циклического действия с малыми циклами. Это обуславливает целесообразность применения алгоритма поиска минимума потребляемой мощности в электроприводах, длительно работающих с постоянными нагрузками, значительно меньшими номинальных.

Турбомеханизмы характеризуются существенным уменьшени­ем момента нагрузки со снижением скорости, что, с одной сторо­ны, является преимуществом с точки зрения устойчивости к сни­жению перегрузочной способности, а с другой – не позволяет получить высокую эффективность энергосберегающего режима, так как максимум экономии достигается при максимальной ско­рости и минимуме момента нагрузки.

Возможность снижения напряжения на статоре при снижении нагрузки на двигателе имеется также и в системе ТПН – АД.

Дата добавления: 2015-06-27