ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ АСИНХРОНИЗИРОВАННОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Аннотация: в статье приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований вариантов управления электроприводом на базе асинхронизированного вентильного двигателя, обеспечивающих высокие энергетические характеристики и проведен анализ влияния на них частоты возбуждения.

Ключевые слова: асинхронизированный вентильный двигатель, математическая модель, векторное управление, электромагнитный момент, потери в стали.

В настоящее время наибольшее распространение среди регулируемых электроприводов переменного тока получил привод на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) и преобразователем частоты в цепи статора. Векторное управление позволяет разделить каналы регулирования электромагнитного момента и потокосцепления и реализовать принцип подчиненного регулирования аналогично приводам постоянного тока.

Но электропривод на базе АДКЗ имеет и существенные недостатки – низкий пусковой момент при большом начальном токе статора, низкая перегрузочная способность во второй зоне регулирования скорости, невысокий диапазон бездатчикового регулирования скорости вниз от номинальной и отсутствие управления мощностью скольжения.

На российских предприятиях существует много технологических объектов, в которых управляемой электрической машиной является асинхронный двигатель с фазным ротором (АДФР), включенный в режиме двойного питания и имеющий ряд преимуществ перед АД. ЭП на базе машины двойного питания (МДП) применяется в технологических процессах с тяжелыми условиями пуска при длительных и часто повторяющихся режимах упора с повышенными требованиями к качеству статических и динамических характеристик. Такие режимы характерны для мощных мельниц, транспортеров и подъемных механизмов, тягового электропривода.

Столь высокие требования могут быть выполнены при условии применения в составе ЭП асинхронизированного вентильного двигателя (АВД), который представляет собой машинно-вентильный каскад с АДФР и двумя преобразователями частоты в цепях статора и ротора (рис. 1) [1, с. 4]. Выходное звено ПЧ статора (CSI) управляется по фазе ЭДС якоря, что имитирует положение щеток на коллекторе двигателя постоянного тока. Это обеспечивает самосинхронизацию АВД по положению основного магнитного поля и реализует принцип частотно-зависимого управления, при котором частота токов в обмотках статора определяется текущей частотой вращения вала [2, с. 5]. Обмотки ротора питаются от собственного преобразователя частоты (VCI) с выходным звеном по типу АИН с ШИМ. Частота токов ротора задается на уровне 3 ¸ 10 Гц, что обеспечит допустимый тепловой режим и уменьшит токовую нагрузку силовых ключей ПЧ при длительной работе каскада в режиме стояния под током с большой кратностью пускового момента, а также позволит снизить мощность скольжения.

Регулирование частоты вращения ротора обеспечивается изменением напряжения в звене постоянного тока ПЧ статора, угла опережения коммутации или тока возбуждения (намагничивания машины). В АВД может быть обеспечено согласное или же встречное вращение магнитных полей статора и ротора. Второй вариант позволяет уменьшить потери в стали якоря и повысить КПД машины особенно на низких нагрузках [3, с. 5; 4, с. 57].

Полученные соотношения позволяют сформулировать принцип векторного управления АВД:

·        магнитное состояние машины определяется напряжением и частотой ротора (возбуждения) и может корректироваться в зависимости от выбранного закона управления воздействием на продольную составляющую вектора тока статора isx ;

·        регулирование поперечной составляющей вектора тока статора isy обеспечивает управление  электромагнитным моментом АВД.

Воздействие на продольную составляющую вектора тока статора isx осуществляется изменением угла опережения коммутации β в инверторе тока ПЧ статора. Составляющие опорного вектора основного магнитного потока

Далее для первого из рассмотренных законов управления были рассчитаны энергетические характеристики ЭП с АВД на базе АДФР МТН-411-8-У1 при двух значениях частоты возбуждения f2= 5 Гц и f2= – 5 Гц (hнS = 0,81 и cosjнS= 0,67). При расчете энергетики убыли учтены потери в стали статора и активные потери в обмотках. Потери в стали ротора не учитывались ввиду их малости при низкой частоте возбуждения. Переход на «отрицательную» частоту возбуждения в эксперименте осуществлялся перекрестной коммутацией двух соседних фаз обмотки возбуждения с выходами ПЧ возбуждения при низкой нагрузке на валу.

Результаты     сравнения     экспериментальных     и     теоретически     определенных     энергетических характеристик показаны на рис. 3.

В номинальном расчетном режиме работы АВД при частоте возбуждения f2= 5 Гц КПД hнS = 0,92 и коэффициент мощности cosjнS = 0,883, что значительно выше номинальных показателей базового двигателя. При проведении эксперимента была достигнута предельная мощность на валу Р2 = 0,74. При этом значение КПД hS = 0,892 отличается от расчетного значения (hнS = 0,925) для этой нагрузки на 3,3 %. Экспериментальный коэффициент мощности АВД cosjS= 0,868 близок к расчетному.

Переход на встречное вращение магнитного поля и ротора (f2= –5 Гц) приводит к возрастанию как расчетных показателей, так и экспериментальных, что объясняется уменьшением потерь в стали статора. Расчетный КПД при мощности на валу Р2 = 0,74Р2н достигает значения hS = 0,931, а в эксперименте получено значение hS = 0,9. Суммарный коэффициент мощности цепей статора и ротора в эксперименте cosjS= 0,982 оказался также близок к расчетному, что можно объяснить поддержанием в эксперименте расчетных значений частоты возбуждения и угла опережения  , оказывающих влияние на cosjS.

Затем были определены энергетические показатели двигателя 4AK160M4Y3 при реализации ортогонального управления для двух значений частоты возбуждения с номинальными значениями магнитного потока и частоты вращения ротора. Также как и для предыдущего закона управления были учтены активные потери в обмотках двигателя и потери в стали статора, а потери в стали ротора не учитывались.

В ходе эксперимента измерялись напряжения и токи статора и ротора, частота вращения вала, потребляемые активные мощности. Значение магнитного потока оценивалось наблюдателем системы управления.


а) f2= 5 Гц                            б) f2= –5 Гц

На рис. 4 приведены сравнительные оценки аналитически определенных и полученных экспериментально энергетических характеристики ЭП с АВД для двух значений частоты возбуждения при ортогональном законе управления. Номинальные значения параметров базового двигателя 4AK160M4Y3 составляют hнS = 0,865 и cosjнS = 0,86.

В номинальном расчетном режиме работы АВД при ортогональном управлении его КПД при частоте возбуждения f2 = 5 Гц достигает значения hнS = 0,909 и коэффициент мощности cosjнS = 0,89, что существенно превышает номинальные показатели базового двигателя. Экспериментально полученное значение суммарного КПД hS = 0,88 ниже расчетного на 2,9 %. Экспериментальный коэффициент мощности АВД cosjS= 0,887 равен расчетному.

Переход на встречное вращение магнитного поля и ротора (f2= –5 Гц) приводит к росту как расчетных, так и экспериментальных энергетических показателей, что объясняется снижением потерь в стали статора. Расчетный КПД двигателя достигает значения hS = 0,915, а в эксперименте получено значение hS = 0,888. Экспериментально полученный коэффициент мощности cosjS= 0,99 также близок к расчетному.

Различие в теоретических и экспериментальных значениях КПД при реализации рассматриваемых законов управления можно объяснить влиянием дополнительных потерь от высших гармонических составляющих фазных токов и напряжений, обусловленных их несинусоидальным характером при питании обмоток двигателя от преобразователей частоты.  Кроме этого, сказываются механические, добавочные потери и потери на щеточных контактах двигателя, влияние которых наиболее сильно на низких нагрузках, когда механическая мощность невелика. С ростом нагрузки эти потери меняются незначительно по сравнению с растущей механической мощностью и основными потерями, которые и будут определять КПД двигателя.

В целом проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических положений относительно применения экстремальных по энергетическим показателям алгоритмов управления и влияния частоты возбуждения на эти показатели.

Список литературы

1.       Сонин Ю.П. Асинхронизированный вентильный двигатель / Ю.П. Сонин, И.В. Гуляев. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1998. – 68 с.

2.       А.с. 1610589 СССР, МКИ3 Н 02 Р 07/42. Способ управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором и устройство для его осуществления/ Ю.П. Сонин, Ю.Г. Шакарян, Ю.И. Прусаков, С.А. Юшков, И.В. Гуляев (СССР). Опубл. 30.11.1990, Бюл. № 44. – 7 с.

3.       Тутаев Г.М. Исследование энергетических характеристик асинхронизированного вентильного двигателя на статической модели / Г.М. Тутаев, И.В. Гуляев, И.В. Маняев // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2010. – № 4. – С. 2-7.

4.       Тутаев Г.М. Энергоэффективное управление двигателем двойного питания в установившихся режимах / Г.М. Тутаев // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2011. – № 2. – С.52-58.

5.       Тутаев Г.М. Варианты векторного управления электроприводом с асинхронизированным вентильным двигателем / Г.М. Тутаев // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2009. – № 3. – С. 11-15.