446конкурсная работаx
реклама
МЕТОДИКА ОЦЕНИВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КРИТЕРИЮ ПОТЕРЬ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ Введение Совершенствование систем управления электродвигателями стимулировало применение асинхронных двигателей (АД) в различных технических устройствах. Трехфазные асинхронные электродвигатели нашли широкое применение в современных промышленных исполнительных механизмах благодаря простоте конструкции, высокой надежности, экономичности и приемлемой себестоимости. Вопросы управления исполнительными электродвигателями и моделирования их режимов рассматривались в работах известных отечественных учёных А. В. Башарина, И.П. Копылова, В.В. Москаленко, С.Г. Германа-Галкина, Г.Г. Соколовского, А.И. Шиянова и других. Повышение эффективности управления оборудованием, использующим асинхронный двигатель, входит в число задач, которые на современном этапе развития науки могут иметь оригинальные алгоритмы решения. Работы, посвященные проблеме развития управления приводами на базе асинхронных двигателей, активно ведутся различными отечественными школами учёных в Москве, Санкт-Петербурге, Воронеже, а также зарубежными учёными, в первую очередь в Германии, Японии, Франции, США, Китае. Актуальность При внедрении электроприводов переменного тока с системами векторного управления необходимо оценивать достигаемый при этом эффект. Одним из самых наглядных критериев эффективности является критерий потерь электрической энергии в процессе ее преобразования в механическую энергию. Электромагнитный момент двигателя, возникающий в результате взаимодействия тока в обмотке ротора с магнитным полем, создаваемым токами фаз статора, является определяющей характеристикой этого процесса. Существуют способы определения электромагнитного момента, которые основаны на использовании электромагнитной мощности двигателя. При рассмотрении потерь как разности потребляемой и электромагнитной мощности, получают детерминированное значение показателя эффективности. На практике процесс преобразования электрической энергии в механическую является случайным процессом, неопределенность состояний которого можно объяснить погрешностями, вносимыми элементами каналов контроля и управления системы «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ПЧ-АД). По этой причине задача оценивания погрешностей каналов контроля и управления системы «ПЧ-АД» является актуальной. Цель работы - разработка методики расчетно-экспериментального оценивания потерь полезной мощности, обусловленных отклонениями процессов в асинхронном электроприводе от расчетных из – за расхождения между изменяющимися параметрами элементов контуров контроля и управления системы «ПЧ – АД» и неизменными параметрами модели. Цель достигается решением следующих задач: 1. Разработка математической модели преобразования электрической энергии в электроприводе на базе «ПЧ – АД» с учетом случайного характера погрешностей, вносимых элементами контуров контроля и управления (ККиУ). 2. Разработка алгоритма оценивания потерь полезной мощности по геометрическим характеристикам годографа пространственного вектора тока статора. 3. Создание экспериментального комплекса для исследования асинхронных электроприводов с векторным управлением под нагрузкой. 4. Разработка основных положений и проверка работоспособности методики оценивания эффективности асинхронного электропривода с векторным управлением по критерию потерь полезной мощности на примере серийных систем «ПЧ – АД» фирмы Danfoss. Объектом исследования является процесс электромагнитного преобразования энергии в системах асинхронного электропривода с преобразователями частоты. Предметом исследования являются влияние погрешностей ККиУ на потери функционирования каналов контроля и управления системы «ПЧ – АД». Научная новизна. 1. Математическая модель системы «ПЧ – АД» с учетом случайного характера погрешностей, вносимых элементами ККиУ. 2. Способ оценивания потерь полезной мощности по геометрическим характеристикам годографа пространственного вектора тока статора в процессе функционирования асинхронного электропривода в установившихся режимах. 3. Разработан и создан экспериментальный комплекс для определения погрешностей, вносимых элементами ККиУ системы «ПЧ – АД». 4. Методика оценивания эффективности асинхронного электропривода с векторным управлением по критерию потерь полезной мощности в зависимости от площади годографа пространственного вектора тока статора. Экспериментальная часть Согласно теории систем управления асинхронных электроприводов с векторной ШИМ известно, что в установившемся режиме работы системы «ПЧ – АД» при питании от трехфазной симметричной сети пространственный вектор тока статора равномерно вращается в электрическом пространстве с синхронной скоростью, описывая годограф, который должен представлять собой окружность с радиусом равным среднему значению пространственного вектора тока статора, формируемого за период ШИМ, как показано на рисунке 1. Рис. 1. Годограф пространственного вектора тока статора и базовые вектора тока статора В реальной системе синусоидальные кривые токов статора iА, iВ, iС и годограф пространственного вектора тока статора отличаются от расчетных, причем значения модуля пространственного вектора тока статора в каждый момент времени изменяется случайным образом, вследствие чего форма годографа становится отличной от окружности. Значение модуля пространственного вектора изменяются как в большую так и в меньшую сторону относительно среднего значения тока статора, формируемого за период ШИМ. Учет этого изменения возможен при уточнении математической модели, описывающей процессы преобразования электрической энергии с помощью теории вероятностей. Основой уточнения математической модели системы «ПЧ – АД» является аппарат математической статистики. Таким образом, оценивание эффективности системы «ПЧ-АД» зависит от величины доверительного интервала, в котором будет находиться координата конца вектора пространственного вектора тока статора. Оценивание эффективности систем «ПЧ-АД» по критерию потерь полезной мощности в режиме эксплуатации возможно при использовании специальной экспериментальной установки. Анализ существующих диагностических комплексов не выявил наилучшего для проведения подобных исследований. По этой причине была разработана и создана экспериментальная установка, структурная схема которой представлена на рисунке 2. ДТ1 3 фазы 380 В AHF ПЧ LC МТ ДТ2 ДТ3 ДПТ АД 3 фазы 380 В ТП ДТм АЦПЦАП ПК Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки Отличительной особенностью данной установки является: - использование только двух бесконтактных датчиков тока (ДТ1, ДТ2), а при необходимости добавление 3 датчика тока ДТ3; - добавление нагружающего устройства типа «механический тормоз» (МТ), который, совместно с нагружающим устройством в виде ДПТ НВ, жестко связанный с валом АД, позволяет проводить испытания во всем диапазоне статических моментов нагрузки; - установка датчика температуры (ДТм), чувствительный элемент которого помещается в воздушное пространство лобовой части АД через коробку выводов, что позволяет контролировать температуру АД на протяжении всего эксперимента. Экспериментальная установка состоит из следующих основных элементов: - объект исследования - «система ПЧ – АД» (ПЧ VLT5000 FLUX, асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором АИР 90L2У2, LC – фильтр 175Z0826, фильтр высших гармоник AHF005, автоматический выключатель ABB C16, автомат защиты двигателя ВАМУ 14, рубильник ABB ОТ25Е3, пускатель магнитный ПМУ – 2510 с контактной приставкой ПКЛУ – 22, пускатель магнитный ПМУ – 0910 с контактной приставкой ПКЛУ – 22, комплект силовых кабелей - КГ 5х6, КГ 4х6, монтажный шкаф с органами управления, индикации, сигнализации и управляющим терминалом ПЧ на лицевой панели); - нагружающее устройство на основе двигателя постоянного тока независимого возбуждения 4ПБ112М2ГУХЛ4 и системой управления ТП 80-20-0,2 УХЛ4, нагружающее устройство типа «механический тормоз» с калибровочным приспособлением на основе электрогидропривода постоянного тока, моментомера, пульта управления и ручного микрометрического винтового зажима; - информационно-измерительная система (ПК AMD Athlon 64 3800, Soc AM-2; блоки LabVIEW (аналого – цифровой и цифро – аналоговый преобразователи (АЦП, ЦАП) NI 4472 фирмы National Instruments, программа LabVIEW Signal Express 2.5); датчики тока ДТХ-50; блоки питания ИПС-1; датчик температуры ETP-01A. Технические характеристики элементов экспериментального комплекса представлены в таблице 1. Технические характеристики АЦП NI4472 приведены в таблице 2. Технические характеристики датчика тока ДТХ – 50 приведены в таблице 3. Таблица 1. Технические характеристики элементов экспериментального комплекса Двигатель асинхронный АИР90L2У2, №5057, №5122, №5123 Скорость вращения, об/мин 2760 КПД, % 84 Номинальный ток, А 6,3 Номинальная мощность, кВт 3 Коэффициент мощности 0,85 Соединение фаз звезда Номинальное напряжение, В 380 Режим работы S1 Двигатель постоянного тока 4ПБ112М2ГУХЛ4 Номинальная мощность, кВт 3 Сила тока, А 15 Напряжение возбуждения, В 220 Возбуждение Независимое Степень защиты IP 44 Направление вращения Реверсивное Скорость вращения номинальная, об/мин 3000 ® Преобразователь частоты VLT 5000 FLUX Диапазон выходного напряжения от Uн, % 0-100 Диапазон частот, Гц 0-1000 Диапазон регулирования скорости 1:1000 Время разгона/торможения, с 0,05- 3600 Разрешение выходной частоты, Гц 0,003 Время реакции системы, мс 3 Программируемые дискретные входы, шт. 8 Аналоговые входы, шт 2 Точность аналогового выхода, % 1,5 Пусковой крутящий момент за 0,5с, % 180 Диапазон частот, кГц 0-32 Тип платы последовательной передачи RS485 Макс. длина кабеля двигателя, м 300 Макс. относительная влажность, % 93±2 Вибрационный тест 0,7g Фильтр гармоник AHF005 IAHF,N, A 10 Номинальное напряжение, В Макс. мощность двигателя, кВт LC – фильтр 175Z0826 Тип исполнения корпуса Максимальный вращающий момент, % Значение тока при 200В, A 380 - 415 4 - 5,5 Book style 160 15,2 Таблица 2. Технические характеристики АЦП NI4472 Количество аналоговых входов 8 Диапазон напряжений входных сигналов, В ±10 Динамический диапазон, дБ 120 Антилайзинговый фильтр, кГц 45 Разрядность АЦП, бит 24 Частота дискретизации, кГц 1..102.4 Таблица 3. Технические характеристики датчика тока ДТХ – 50 Диапазон измеряемых токов, А 0…50 Допустимая перегрузка по току, разы 1,5 Основная приведенная погрешность, не более, % 1 Коэффициент передачи 1:2000 Полоса пропускания, Гц 0-50000 Источник питания, В ±15 (±5%) На рисунке 3 показан внешний вид шкафа системы управления «ПЧ VLT 5000FLUX АД». На рисунке 4 показан преобразователь частоты VLT5000 FLUX – слева, LC-фильтр – справа. На рисунке 5 показан асинхронный двигатель с двигателем постоянного тока независимого возбуждения, валу которых соединены двумя полумуфтами. На рисунке 6 показан тиристорный преобразователь 4Q 3600XRI. На рисунке 7 показан фильтр высших гармоник AHF005. На рисунке 8 показан аналого-цифровой преобразователь NI4472. На рисунке 9 показан бесконтактный датчик тока ДТХ – 50. Рис. 3. Шкаф системы управления «ПЧ – АД» Рис. 4. Преобразователь частоты VLT5000 FLUX – слева, LC-фильтр – справа Рис. 5. Асинхронный двигатель и двигатель постоянного тока независимого возбуждения Рис. 6. Тиристорный преобразователь 4Q 3600XRI Рис. 7. Фильтр высших гармоник AHF005 Рис. 8. Аналого-цифровой преобразователь NI4472 Рис. 9. Бесконтактный датчик тока ДТХ – 50 Постановка плана эксперимента на лабораторной установке. Для подтверждения теоретических разработок, необходимо провести ряд экспериментальных исследований на системе «ПЧ – АД» с независимым каналом измерения контролируемых параметров. Так как у короткозамкнутого АД есть только две величины, которые можно непосредственно измерять (напряжение и ток статора), то за основной контролируемый параметр приняты мгновенные значения фазных токов статора iА, iВ, iС в установившемся режиме работы двигателя. Первым и наиболее важным этапом проведения экспериментов является составление плана эксперимента с подробным описанием всех этапов, режимов работы, при которых будет проводиться эксперимент и описанием элементов, входящих в состав системы «ПЧ – АД». План проведения эксперимента включает: - Описание экспериментальной установки для определения погрешностей ККиУ системы «ПЧ – АД». - Формирование системы исходных данных, в которой анализируются параметры: асинхронных двигателей и преобразователей частоты по каталогам; питающей трехфазной сети. - Описание этапов проверки правильности функционирования системы «ПЧ – АД» в режиме холостого хода для различных частот вращения выходного вала и независимого канала измерения мгновенных значений фазных токов. - Описание режимов проведения экспериментов. - Теоретическое представление определения и накопление в памяти персонального компьютера мгновенных значений токов в фазах статора при различных уровнях момента статической нагрузки и изменяемой угловой скорости вращения вала АД. - Описание обработки результатов эксперимента вероятностно - статистическим способом. - Выработка практических рекомендаций по применению методики оценки энергоэффективности системы «ПЧ – АД». Выделим основные режимы проведения лабораторных исследований на экспериментальной установке. 1. При проведении эксперимента на частоте f1 = 10Гц вращения АД частота дискретизации АЦП выставляется fд1 = 5 кГц, на частотах f2 = 30 Гц, f3 = 50 Гц - f д2 = 8 кГц. 2. Включение системы «ПЧ – АД» в режим холостого хода с контролем изменения температуры внутри статора при нагреве до t1 =30ºС с заданием частоты вращения вала АД f1 = 10Гц. 3. Проведение экспериментов в установившихся режимах работы: 1) при вращении вала АД на холостом ходу; 2) с имитацией нагрузки на валу при двух фиксированных значениях момента сопротивления, создаваемого ДПТ НВ. При этом для каждого установившегося состояния производить измерения мгновенных значений фазных токов iА, iВ, в течении tизм=5 с. Число повторных циклов в каждом режиме n=10. 4. Эксперимент с заданием частоты вращения вала АД f2 = 30Гц проводить при нагреве до t 2 =33ºС. 5. Эксперимент с заданием частоты вращения вала АД f3 = 50Гц проводить при нагреве до t 3 =36ºС. 6. Включение системы «ПЧ – АД» в режим с максимальным моментом сопротивления, создаваемым ДПТ. Частоту вращения вала АД задать f3 = 50 Гц. Эксперимент с измерением iА, iВ проводить при изменении температуры воздушного пространства лобовой части статора от начальной tн=40ºС до конечной tк=50ºС (с увеличением на t 1 C ). 7. Смена асинхронного двигателя АИР90L2У2 на другой, того же типа АИР90L2У2 и повторение п.п. 1 – 6. С помощью программы LabVIEW Signal Express 2.5 осуществлялась запись мгновенных значений фазных токов в оперативную память ПК в виде выборки данных кодировки ASCII. Время записи каждого цикла измерений составляло tизм=5 с. Полученная выборка данных заносилась в программу MS Excel 2007 с приведением нулевых значений фазы тока iА к началу координат. Значение тока iС рассчитывается по формуле i1С = ( i1 А + i1В ) с точностью до 0,01 А. Для исключения систематической составляющей погрешности проводилось усреднение мгновенных значений токов статора iА, iВ, iС по десяти пускам. Для построения годографа, необходимо провести преобразование системы трехфазных значений токов в проекции на оси неподвижной системы координат x0y по формулам: 2 1 i1x [i1 A (i1B i1C )] i1 A ; 3 2 1 i1 y (i1B i1C ). 3 По полученным проекциям строится годограф пространственного вектора тока статора в неподвижной системе координат x0y и проводится анализ его геометрических характеристик: площадь, эллиптичность, значения базовых векторов и углов между ними. Так как математическая модель АД представляет собой сложную систему, то для простоты описания этих процессов принимаются следующие допущения: - трехфазная система симметрична, нулевой ток в ней отсутствует, сумма мгновенных значений токов фаз равна нулю; - каждый протекающий по фазной обмотке ток порождает магнитодвижущую силу, синусоидально распределенную по окружности воздушного зазора машины; - сложение магнитодвижущих сил отдельных фазных обмоток порождает общую магнитную индукцию, также синусоидально распределенную по окружности воздушного зазора; - характеристика намагничивания машины линейна. Пример построения годографа пространственного вектора тока статора для упрощенной математической модели с учетом допущений представлен на рисунке 10. у 5 4 3 2 1 0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5х -1 -2 -3 -4 -5 Рис. 10. Пример построенного годографа для симметричной питающей сети В теории вероятностей разработан аппарат получения точечных и допусковых оценок измеряемых случайных величин (СВ). Таким образом, при разработке математической модели преобразования электрической энергии, учитывающей погрешности, вносимые элементами ККиУ системы «ПЧ – АД» предлагается учитывать доверительный интервал, в котором находится текущая координата пространственного вектора тока статора. Тогда ~ RÂ I1 ñëó÷ ~ RÍ I1 - ñëó÷ где RВ , RН - радиусы верхней и нижней границ доверительного интервала модуля пространственного вектора тока соответственно; ñëó÷- предельное значение случайной погрешности измерений модуля тока статора. Для вычисления радиусов верхней и нижней границ доверительного интервала необходимо знать площадь кругов, которые будут равны площадям экспериментального годографа и годографов с учетом ñëó÷. S Âãîä RÂ2 S Âýêâ ãîä 2 ýêâ S ÑÐ RÑÐ S ÑÐ S Íãîä RÍ2 S Íýêâ Примеры экспериментальных годографов с учетом доверительного интервала и эквивалентной окружностью для различных режимов первого исследуемого двигателя представлены на рисунках 11-13, а для третьего - 14-16. 4у 3 2 1 х 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -1 -2 -3 -4 Рис. 11. Годограф пространственного вектора тока статора при частоте f=10Гц без нагрузки с учетом доверительного интервала у 5 4 3 2 1 х 0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -1 -2 -3 -4 -5 Рис. 12. Годограф пространственного вектора тока статора при частоте f=30Гц с нагрузкой 0,5Мс МАХ с учетом доверительного интервала у 7 6 5 4 3 2 1 х 0 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -1 1 2 3 4 5 6 7 -2 -3 -4 -5 -6 -7 Рис. 13. Годограф пространственного вектора тока статора при частоте f=50Гц с нагрузкой 1,0Мс МАХ с учетом доверительного интервала у 4 3 2 1 х 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -1 -2 -3 -4 Рис. 14. Годограф пространственного вектора тока статора при частоте f=10Гц без нагрузки с учетом доверительного интервала 5у 4 3 2 1 х 0 -5 -4 -3 -2 -1 -1 0 1 2 3 4 5 -2 -3 -4 -5 Рис. 15. Годограф пространственного вектора тока статора при частоте f=30Гц с нагрузкой 0,5Мс МАХ с учетом доверительного интервала у 7 6 5 4 3 2 1 х 0 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -1 1 2 3 4 5 6 7 -2 -3 -4 -5 -6 -7 Рис. 16. Годограф пространственного вектора тока статора при частоте f=50Гц с нагрузкой 1,0Мс МАХ с учетом доверительного интервала Найдя разность площадей кругов верхнего и нижнего доверительного интервала SÊ S Âýêâ SÍýêâ получим площадь кольца S К . Это кольцо называется доверительной областью, в которой будут находиться координаты пространственного вектора тока статора с доверительной вероятностью р=0,95. Таким образом, зная площадь кольца можно будет вычислить потери мощности: SÊ k ì ΔÐïîòåðü ΔÐïîòåðü Pïîò Pýì На рисунке 17 представлена блок-схема алгоритма оценивания эффективности асинхронного электропривода по критерию потерь полезной мощности. Начало Подготовка лабораторной установки Приведение исходных данных к требованиям, согласно плану эксперимента Запись мгновенных значений токов в двух фазах в память ПК в течение 5 сек. N ≥ 10 Приведение мгновенных значений токов фазы А первого периода к началу координат Вычисление мгновенных значений токов фазы С по формуле iС = - (iА+ iВ) Выделение в каждом пуске десяти периодов мгновенных значений каждой фазы с удалением последующих Линейное объединение периодов каждого пуска Переход от трехфазной системы переменных к проекциям на оси неподвижной системы координат х0у Построение годографа пространственного вектора тока статора Определение модуля пространственного вектора тока статора для каждого i-го значения угла поворота вектора тока Определение МО, дисперсии, с.к.о для каждого i-го значения модуля пространственного вектора Определение предельного значения случайной погрешности статора εслуч Вычисление координат концов каждого i-го пространственного вектора с учетом ± εслуч Построение годографов пространственного вектора тока статора для IВ, IН Разбиение полученных годографов на элементарные треугольники Определение площади треугольников по формуле Герона Определение площади годографов, как сумма площадей элементарных треугольников Вычисление радиусов кругов, площадь которых равна площади полученных годографов RВ ,RСР, RН Построение эквивалентной окружности с радиусом RСР в одной координатной плоскости с экспериментально полученным годографом Построение доверительного интервала годографа по полученным значениям радиусов RВ, RН в одной координатной плоскости с экспериментально полученным годографом Определение зоны неопределенности (кольца) как разность площадей верхнего и нижнего кругов Определение потерь полезной мощности Вывод на экран полученных значений годографа пространственного вектора тока статора Конец Рис. 17. Блок-схема алгоритма оценивания эффективности асинхронного электропривода по критерию потерь полезной мощности Заключение На основании проведенного анализа существующих методик и диагностических комплексов по метрологическому анализу и оценке энергоэффективности систем с электроприводами переменного тока была сформулирована актуальность и направление исследований. Уточнена математическая модель преобразования электрической энергии в электроприводе с учетом случайного характера погрешностей, вносимых элементами каналов контроля и управления системы «ПЧ – АД». Создан экспериментальный комплекс и разработан его переносной вариант для исследования асинхронных электроприводов с векторным управлением без останова АД от технологического процесса, который обладает следующими качествами: - мобильность; - простота аппаратно-программного обеспечения; - высокая точность определения параметров системы; - универсальность; - возможность проведения диагностирования систем «ПЧ – АД» без останова последнего от производственного процесса; - доступность. Проведена проверка работоспособности методики, позволяющая проводить экспресс-анализ асинхронных электроприводов на базе системы «ПЧ – АД» с векторным управлением. Значения напряжения, токов, мощностей для трех исследуемых двигателей представлены в таблице 4. Таблица 4. Сравнение экспериментальных данных для трех асинхронных двигателей 1 асинхронный двигатель АИР90L2У2 Напряжение, В Ток, А Мощность, Вт фаза А 226 3,35 85 фаза В 228 3,35 80 фаза С 228 3,35 75 2 асинхронный двигатель АИР90L2У2 фаза А 228 3,55 70 фаза В 224 3,25 65 фаза С 232 3,35 95 3 асинхронный двигатель АИР90L2У2 фаза А 230 3,6 250 фаза В 226 3,5 140 фаза С 232 3,8 80 Таким образом, потери в экспериментах с первым и вторым двигателем приблизительно составили Δ1-2= 1%, с первым и третьим - Δ1-3= 2%, со вторым и третьим – Δ2-3= 2,1%. Проверка независимым прибором показала, что у первого и второго асинхронных двигателей потребляемые мощности одинаковы, а у третьего – в два раза больше. Таким образом, методика оценки потерь чувствительна к несимметричному режиму работы систем «ПЧ-АД» и может быть использована для экспресс – диагностики качества функционирования асинхронных электроприводов с векторным управлением по критерию потерь полезной мощности. Выводы, полученные в работе будут полезны таким организациям как: ВНИИМС, ЗАО «Шнейдер Электрик РФ», ООО «АББ РФ», ООО «Легранд», ООО «КЭР – Инжиниринг», ООО «КЭР – автоматика», ООО "ИНВЭНТ-Технострой", ООО “Ортис”, ООО «ИТЦ «Промавтоамтика», Корпорация Триол, компания «Сервис Монтаж Интеграция», компании RS Group, НПО «Система» и др.