Афанасьев А.П.
Кандидат технических наук, Приамурский государственный университет имени «Шолом-Алейхема» г. Биробиджан
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПРАВКИ НА СКОЛЬЖЕНИЕ В ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОМ АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
Аннотация
Предложена усовершенствованная схема управления электроприводом в рабочих пределах изменения момента и скорости. Разработаны имитационные модели электропривода, имитирующие работу в обычном режиме и с учетом оптимизации скольжения.
Показано, что в заданных границах изменения нагрузочных моментов и оборотах привода по параметру эффективности предложенная модель управления дает более высокие результаты.
Предлагаемая схема управления с учетом оптимизации скольжения эффективнее, чем схема 
Ключевые слова: управляемый асинхронный электропривод, оптимизация скольжения, имитационная модель управления, частотно-регулируемый электропривод.
Afanasyev A.P.
PhD in Engineering, Sholem Aleichem Amur State University, Birobidzhan
DETERMINATION OF THE AMENDMENT TO SLIDE IN A FREQUENCY-REGULATED ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE
Abstract
An improved control scheme of the electric drive within the working limits of the torque and speed variation is proposed. Simulation models of the electric drive simulating the work in the normal mode and taking into account slip optimization are developed.
It is shown that within the given limits of variation of load moments and drive speeds by the efficiency parameter, the proposed control model gives better results.
The proposed control scheme, taking into account the slip optimization, is more effective than
Keywords: controlled asynchronous electric drive, slip optimization, simulation control model, frequency-controlled electric drive.
Введение
Асинхронные электродвигатели являются наиболее простыми в конструкции и, следовательно, недорогими в производстве. Данные качества определяют их основные конкурентные преимущества в сравнении с другими типами электропривода. Доля асинхронных электроприводов в промышленном производстве занимает порядка 70%.
К недостаткам асинхронных двигателей, до последнего времени, можно было отнести их слабую управляемость по скорости и моменту на валу двигателя. При низких нагрузках коэффициент полезного действия данных двигателей имеет тенденцию к резкому убыванию по причине возрастающих потерь обмотке и сердечнике статора [1, С 105], [2].
Для уменьшения этих потерь необходимо сбалансировать магнитный поток между статором и ротором, т.е. иметь возможность влиять на скорость (число оборотов) электропривода и напряжение статорных обмоток.
Достаточно много отраслей промышленного хозяйства, где востребованы электрические приводы с высокими показателями эффективности во всех рабочих диапазонах изменения нагрузки и частоты вращения. В качестве примера можно привести электроприводы горно-обогатительного оборудования.
Эффективность работы электропривода можно повысить за счет точного выбора параметров управляющих воздействий соответствующих текущим условиям работы.
Существует несколько способов управления скоростью асинхронного двигателя. Наиболее распространенные из них приведены на диаграмме, представленной на рис. 1.
Рис. 1 – Способы регулирования скорости асинхронного двигателя
Одним из традиционных способов управления двигателем является изменение величины питающего напряжения.
Развиваемый двигателем электромагнитный момент определяется в соответствии с соотношением:
(1)
Графически соотношение определяющее зависимость электромагнитного момента от скольжения, т.е. – (1) представлено на рис. 2.
Рис. 2 – Зависимость момента асинхронного двигателя от скольжения
Из соотношения (1) и графического представления зависимости 
видно, что электромагнитный момент пропорционален квадрату напряжения 
и сложным образом зависит от величины скольжения s.
В настоящее время в проектируемые системы управления асинхронными электроприводами используют «классическое» 
регулирование, которое позволяет обеспечить неизменность критического момента и, следовательно, постоянство перегрузочной способности двигателя практически во всем диапазоне регулирования скорости.
Исследования [3], [4], [5], [6] показали, что постоянство отношения напряжения статора к частоте
Для получения оптимальной эффективности работы привода во всех диапазонах изменения момента и скорости был предложен механизм компенсации скольжения, обобщенная функциональная схема которого представлена на рис 3. С помощью данной функциональной схемы реализуется алгоритм скалярного управления электроприводом. Подробное описание элементов схемы можно найти в [2, С 14].
Рис. 3 – Функциональная схема частотно-регулируемого электропривода со скалярным управлением
Управление (компенсация) скольжением возможно соответствующим выбором добавки напряжения к заданному напряжению на зажимах статора, которое на рис.3 имеет обозначение 
.
В данной статье предлагается метод, в основе которого лежит идея использования ПИД –регулятора, в частности, предложено дополнить систему управления интегральным регулятором.
Модель блока управления скольжением
Для компенсации скольжения относительно оптимального значения было предложено использовать интегральный регулятор (2), который позволяет получить значение добавочного напряжения не только для текущего отклонения скольжения от номинальной величины, но и учитывать всю «историю» данных отклонений [7].
(2)
В ходе реализации предложенного подхода для блока управления скольжением была создана имитационная SIMULINK модель [8], [10].
На рис. 4 представлена модель блока управления, которая является частью общей модели имитационного эксперимента по определению параметров эффективности работы асинхронного двигателя в различных тестовых режимах. Блоки, выделенные цветом, реализуют рабочий алгоритм интегрального ПИД регулятора.
Рис. 4 – Схема контроллера блока оптимизации скольжения
На рис. 5 представлена общая модель асинхронного электропривода с блоком оптимизации скольжения, в которой блок «S-controller» является системой управления питающего напряжения.
Рис. 5 – Имитационная модель асинхронного электропривода с блоком оптимизации скольжения
В качестве входных параметров блок «S-controller» принимает заданное значение частоты питающего напряжения – f, требуемое значение скольжения – s, обусловленное конструкцией двигателя и текущим режимом работы электропривода, и действительное значение скольжения – Slip, полученное с датчиков измерительных блоков электропривода.
На выходе блока «S-controller» получается значение питающего напряжения двигателя с учетом поправки на скольжение, полученной с помощью интегрального ПИД регулятора.
Результаты моделирования
На рисунке 6 представлены графики зависимости коэффициента полезного действия от нагрузочного момента и частоты вращения двигателя без учета компенсации скольжения и с учетом компенсации скольжения с применением интегрального ПИД регулятора.
Рис. 6 – Графики зависимости КПД двигателя от нагрузочного момента и частоты напряжения питания
Представленные графики показывают, что практически на всем диапазоне частот напряжения питания и изменения нагрузочного момента коэффициент полезного действия двигателя с блоком компенсации скольжения имеет более высокие значения.
В области малых частот и моментов нагрузки коэффициент полезного действия привода с интегральным регулятором превышает этот же показатель для привода с обычным регулированием на 30-40%.
На рис.7 представлен срез графика на частоте 10 Гц, из которого следует, что на данной частоте во всем диапазоне изменения нагрузочного момента КПД двигателя с интегральным регулятором превышает КПД двигателя с обычным
Рис. 7 – Срез графика КПД на частоте питающего напряжения 10 Гц
Рис. 8 иллюстрирует работу интегрального регулятора блока оптимизации скольжения при пониженных оборотах двигателя и нагрузочного момента, равного 15 Н*м.
Как видно из рис. 8 на начальном этапе имитации значение скольжения в моделях с оптимизацией и без оптимизации не определено и подвержено резким скачкам, так как этот период приходится на режим пуска двигателя.
В дальнейшем, по мере накопления интегралом «истории отклонений» скольжения от оптимального значения, скольжение в модели с интегральным регулятором принимает более низкие значения в сравнении с моделью, в которой используется обычное
Меньшая величина скольжения приводит к уменьшению потерь в обмотке ротора, так как эти потери прямо пропорциональны скольжению 
, здесь 
– электромагнитная мощность двигателя [1], [9, С 216].
Рис. 8 – Значения скольжений асинхронного двигателя с учетом и без учета оптимизации при заданных условиях
Вывод
Предложенный алгоритм компенсации скольжения на основе интегрального компонента ПИД регулятора позволяет повысить коэффициент полезного действия асинхронного электропривода от 5 до 40% практически во всем диапазоне изменения момента нагрузки и частоты вращения.
Блок управления с интегральным регулятором позволяет работать приводу с меньшим скольжением, в результате чего уменьшаются потери в обмотке ротора, и, следовательно, повышается эффективность работы электропривода в целом.
В настоящее время реализация данного алгоритма управления электроприводом вполне осуществима на основе микропроцессорной техники.
Список литературы / References
Список литературы / References in English
research-journal.org
Встроенная функция преобразователя позволяет поддерживать скорость двигателя постоянной вне зависимости от нагрузки на валу. Обеспечивается это динамическим регулированием выходной частоты инвертора.
Режим компенсации скольжения применяется при V/f-регулировании. В этом режиме скорость двигателя меньше заданной скорости на величину скольжения. Алгоритм работы регулятора скорости позволяет скомпенсировать скольжение, отслеживая нагрузку на валу и увеличивая или уменьшая выходную частоту инвертора.
Рассмотрим на примере. При увеличении момента нагрузки на валу с М1 до М2 (см. рисунок ниже) скорость двигателя уменьшается с f1 до f2.
 |
Для того, чтобы активировать функцию компенсации скольжения в преобразователе Микромастер 440 необходимо установить параметр Р1335>0. В противном случае компенсация работать не будет. Рекомендации разработчиков по установке значения этого параметра следующие:
Рассчитываемая величина компенсации скольжения ограничивается с максимальной стороны относительно номинального скольжения двигателя, указанного в параметре r0330.
soshevsky1983.narod.ru
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД
Если вектор напряжения Uj формируется векторным сложением напряжения задания U з, и сигнала / • /^ • ккм, вводимого с целью компенсации падения напряжения в фазах А, В и С двигателя, то такое управление называют частотным управлением с векторной IR - компенсацией. Векторное сложение сигналов производится во временной области, то есть суммируются сигналы переменного напряжения.
Функциональная схема частотного управления с векторной IR - компенсацией приведена на рис. 6.44.
В схеме (см. рис. 6.44) на выходе прямого координатного преобразователя ПКП формируются три синусоидальных напряжения изВ, U3C, сдвинутые относительно друг друга на угол + 2к/3, с амплитудами, пропорциональными задающему напряжению U3, и частотой/, определяемой законом регулирования. Напряжения U3а , U Зв, U3c суммируются с сигналами i- R-y kKM положительных компенсационных обратных связей по току в соответствии с выражением
Uyt =Uз/ + ij • R • kKM, (6.71)
где U yi - вектор напряжения управления / - й фазой автономного инвертора напряжения; U3/ - вектор напряжения задания / - й фазы; /'/ - ток і - й фазы асинхронного двигателя.
Результирующие сигналы управления Uya, U у н, Uyc формируют фазные напряжения на выходе преобразователя частоты ПЧ. Векторные диаграммы асинхронного электропривода с векторной //^-компенсацией приведены на рис. 6.45.
|
|
|
|
Рис. 6.45. Векторные диаграммы асинхронного электропривода с векторной IR-компенсации: а -режим холостого хода; б при наличии
нагрузки на валу двигателя
При векторной Ж-компенсации векторы ЭДС Е и потокосцепления |/1 остаются постоянными при изменении нагрузки, а модуль век
и его фазовый угол меняются. Как показали исследования, постоянство вектора потокосцепления |/1 способствует устойчивой работе электропривода. В электроприводах с микропроцессорным управлением векторная //^-компенсация дополнительной настройки, как правило, не требует, то есть при выборе такого закона регулирования настройка производится по заложенной в электропривод программе автоматически.
Электромеханическая характеристика, определяющая зависимость приведенного тока ротора от скольжения для режима неполной IR - компенсации, определяется выражением
тора напряжения
Механические характеристики асинхронного двигателя, работающего в системе автономный инвертор напряжения - асинхронный двигатель с положительной обратной связью по току, рассчитанные по выражению (6.76) , приведены на рис. 6.47. Частотное регулирование скорости осуществляется в соответствии с законом регулирования
коэффициентов положительной обратной связи по току ккм. С целью наглядного представления о регулировании скорости механические характеристики на рисунке приведены в координатах М = /(со* ).
Анализ характеристик, приведенных на рис. 6.47, показывает значительное увеличение критического момента асинхронного двигателя особенно на низких скоростях вращения и увеличение их жесткости.
Из выражения (6.75) следует, что при снижении частоты fj напряжения обмоток статора ток намагничивания /0 возрастает. Увеличится также и поток намагничивания двигателя. Поэтому для стабилизации потока намагничивания, по мере уменьшения частоты напряжения статора, в некоторых электроприводах коэффициент положительной обратной связи по току ккм уменьшают.
Известно, что положительная обратная связь в контуре регулирования физической величины не способствует увеличению устойчивости этого контура, поэтому чем больше коэффициент положительной обратной связи по току ккм, тем больше будет колебательность электропривода. Это подтверждают теоретические и экспериментальные исследования асинхронных частотно-регулируемых электроприводов с IR - компенсацией. На рис. 6.48 и рис. 6.49 приведены графики переходных процессов момента и скорости пуска электроприводов с различными коэффициентами положительной обратной связи по току ккм.
|
Рис. 6.48. Переходные процессы пуска асинхронного двигателя на частоту /j max* = в электроприводе автономный инвертор напряжения - асинхронный двигатель с положительной обратной связью по току. £км1* =0,2, Гкм*= 0,31415 |
|
Рис. 6.49. Переходные процессы пуска асинхронного двигателя на частоту /іmax* = в электроприводе автономный инвертор напряжения - асинхронный двигатель с положительной обратной связью по току. ^кмі* = °>7- гкм* =0,31415 |
Анализ переходных процессов скорости и момента рис. 6.48 и рис. 6.49 показывает, что увеличение коэффициента положительной обратной связи по току с £кмі* = 0,2 до ккм2* = 0,7 привело к увеличению колебательности электромагнитного момента электродвигателя как на начальном, так и на конечном участках переходного процесса пуска двигателя. Поэтому, при окончательной настройке электропривода, постоянную времени Ткм необходимо увеличить, как и рекомендуют методики настройки электроприводов автономный инвертор напряжения - асинхронный двигатель с положительной обратной связью по току. Стандартная постоянная времени Ткм контура тока, устанавливаемая в заводской настройке фирм ABB, HITACHI, Siemens, Веспер, составляет 0,02 с.
В частотно-регулируемых асинхронных электроприводах векторное управление связано как с изменением частоты и текущих значений переменных (напряжения, тока статора, потокосцепления), так и со взаимной ориентацией их векторов в декартовой системе координат. …
Сигналом тока можно воздействовать как на канал напряжения, так и на канал частоты. Функциональная схема электропривода с положительными обратными связями по току в канале регулирования напряжения и частоты приведена на …
msd.com.ua
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД
Пуск и синхронизация синхронных двигателей различается в зависимости от особенностей технологического процесса, в котором участвует электропривод. Различают легкий и тяжелый пуск синхронного двигателя. Легкий пуск синхронного двигателя происходит при малых моментах инерции электропривода и малых моментах сопротивления Мс на валу электродвигателя. Тяжелый пуск осуществляется при относительно больших моментах инерции электропривода и моментах сопротивления Мс. Тяжелый пуск осуществляется за значительное время и вхождение двигателя в синхронизм осложняется.
Для мощных двигателей схемы силовых цепей практически сведены с незначительными вариациями к одной, принципиальная схема которой приведена на рис. 5.52.
Пуск синхронного двигателя осуществляется в асинхронном режиме. В большинстве случаев синхронный двигатель мощностью до нескольких сотен киловатт пускают прямым включением в сеть. Кратность пускового тока при прямом пуске kt = = 4^-5.
ha
(
индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора; Rj, X2о - ак_ тивное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенные к обмотке статора.
|
Рис. 5.52. Схема силовых цепей синхронного двигателя |
Из анализа выражения для тока короткого замыкания (5.75) вытекают три возможных способа токоограничения при асинхронном пуске синхронного двигателя:
• введение на время пуска добавочного активного сопротивления /^iд05 в цепи обмоток статора;
• введение на время пуска добавочного реактивного сопротивления Х1доб в цепи обмоток статора;
• кратковременное уменьшение на время пуска фазного напряжения обмоток статора.
Наиболее часто токоограничение при пуске синхронных двигателей осуществляется использованием реакторов L, включаемых в цепи обмоток статора. В некоторых случаях вместо реакторов L применяются активные резисторы. Кратковременное понижение напряжения обмоток статора достигается включением в схему трансформаторов или автотрансформаторов. Вариант схемы ограничения тока статора при пуске
синхронного двигателя с применением автотрансформатора приведен на рис. 5.53.
|
Рис. 5.53. Схема силовых цепей синхронного двигателя с автотрансформаторным ограничением пускового тока |
Статические электромеханические характеристики, поясняющие процесс пуска синхронного двигателя с токоограничением, приведены на рис. 5.54.
|
Рис. 5.54. Статические электромеханические характеристики, поясняющие процесс пуска синхронного двигателя |
Пуск двигателя начинается по характеристике 1, с добавочной индуктивностью L в цепи обмотки статора или пониженном напряжении Uj обмотки статора. По истечении некоторого времени, когда пусковой ток уменьшится до тока переключения /іпер, добавочные индуктивности (см. рис. 5.52) из цепи обмотки статора выводятся, и процесс пуска продолжается по характеристике 2.
При пуске в асинхронном режиме импульсы управления на тиристоры VS3...VSS не подаются и напряжение управляемого выпрямителя равно нулю. В обмотке возбуждения синхронного двигателя индуцируется переменная ЭДС скольжения, под действием которой через стабилитроны VD1, 17)2 и 17)3, 17)4 открываются вспомогательные тиристоры VSI и VS2. В процессе асинхронного пуска обмотка возбуждения синхронного двигателя закорачивается на разрядное сопротивление R. Когда двигатель достигает скорости близкой к подсинхрон - ной, ЭДС скольжения уменьшается, уменьшается и напряжение на управляющих электродах тиристоров VSI, VS2 и они перестают включаться. Разрядное сопротивление отключается от обмотки возбуждения. После чего в обмотку возбуждения подается постоянный ток от управляемого выпрямителя VS3 ... VS8.
Пусковая беличья клетка синхронного двигателя рассчитана на кратковременный режим работы, как правило, 20 + 50 с., длительная работа в асинхронном режиме недопустима. Кроме обеспечения режима пуска, беличья клетка играет роль демпфирующей обмотки, стабилизируя переходные процессы при работе двигателя в синхронном режиме.
Для синхронных двигателей мощностью до нескольких сотен киловатт возможен пуск прямым включением в сеть без промежуточных пусковых характеристик. Примерный вид переходных процессов момента М и скорости со при прямом пуске синхронного двигателя с учетом электромагнитных переходных процессов приведен на рис. 5.55. Синхронный двигатель разгоняется в асинхронном режиме до подсин - хронной скорости оопс, после чего в момент времени tBKJl на его обмотку возбуждения подается напряжение возбуждения U0B и двигатель втягивается в синхронизм. Принципиально на процесс вхождения в синхронизм влияет момент подключения напряжения к обмотке возбуждения. Наиболее благоприятным моментом включения напряжения возбуждения является такое, при котором мгновенное значение наведенной ЭДС в обмотке возбуждения будет равно нулю. Однако, как показали специальные исследования [11], относительное положение ротора относительно магнитного поля, созданного обмотками статора, неимеет большого практического значения ни с точки зрения качества переходного процесса, ни времени его окончания. Поэтому в большинстве практических случаев схема управления не усложняется путем введения устройств, обеспечивающих включение возбуждения в наиболее благоприятный момент времени.
|
|
| 0е Л/и.,Сйи. хЗ 3 |
|
|
| Рис. 5.55. Кривые переходных процессов момента М и скорости & при пуске синхронного двигателя |
| Проверку условия вхождения в синхронизм можно производить, пользуясь выражением |
где Мтах - максимальный момент синхронной машины; ./^ - приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции электроприво-
да.
Процесс втягивания в синхронизм зависит в основном от двух параметров: значения подсинхронной скорости сопс и приведенного к валу двигателя суммарного момента инерции электропривода J^ .
В частотно-регулируемых асинхронных электроприводах векторное управление связано как с изменением частоты и текущих значений переменных (напряжения, тока статора, потокосцепления), так и со взаимной ориентацией их векторов в декартовой системе координат. …
Сигналом тока можно воздействовать как на канал напряжения, так и на канал частоты. Функциональная схема электропривода с положительными обратными связями по току в канале регулирования напряжения и частоты приведена на …
Если вектор напряжения Uj формируется векторным сложением напряжения задания U з, и сигнала / • /^ • ккм, вводимого с целью компенсации падения напряжения в фазах А, В и С …
msd.com.ua
