Слайд 1 - Факультет электронной техники

VIII Международная (XIX Всероссийская) конференция
по автоматизированному электроприводу
АЭП-2014
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
Факультет Электронной Техники
Лаборатория вентильных электрических машин
ТУТАЕВ ГЕННАДИЙ МИХАЙЛОВИЧ
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
САРАНСК
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
Управляемые электрические машины. Проблемы
Сеть
Сеть
U=const [В]
F=50 [Гц]
U=const [В]
F=50 [Гц]
ПЧ
статора
Us=var [В]
Fs=var [Гц]
АД
АД
Требования:
 Высокий КПД
 Регулирование реактивной мощности
 Регулирование скорости
 Управление переходным процессом
2
Недостатки:
 Частично управляемые
 Ограничения при тяжелом пуске
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
Вариант решения проблем
Асинхронизированный
вентильный двигатель (АВД)
Преимущества:
 Большее число каналов управления
ПЧ s
 Возможность тяжелого пуска
 Высокие энергетические показатели в
широком диапазоне скоростей и нагрузок
ДДП
Недостатки:
 Наличие двух преобразователей частоты
 Конструктивные особенности машины
 Сложность алгоритмов управления
3
5-10
Гц
ПЧ r
АВД
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
Асинхронизированный вентильный двигатель
ПЧ
Каналы управления:
 Us (Is)
 β = –θ'
 Ur (Ir)
 Fr = var
статора
ωr
Us=var [В]
Fs=var [Гц]
Is 
Ψδ = const; Ψδ = var
Ps, Qs, Pr, Qr, Psst и Prst → min
Важно:
АВД
Сеть
АДФР
U=const [В]
F=50 [Гц]
Ur=var [В]
Fr=var [Гц]
ПЧ
ротора
 Ψδ = f(Мэм); Ψδ = f(ωr)
 ω2 = f(Мэм); ω2 = f(ωr)
4
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
Энергоэффективные законы управления АВД
 1 L ls i sy
U s
 Ψδ = const, ω2 = const, β = φ1 = var


Is 
Is 
R s i sy
, ω2 = const
 1  x

  i sy  I s
, ω2 = var
 Is, Ir → min
i rx
r
 x
x

Важно
5
U r

 минимум суммарных потерь
е
(1)
1  2 
2
y
i ry
Psst и Prst → min
 r
U r
Ir
Векторная диаграмма АВД
при реализации энергоэффективных алгоритмов
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Особенности регулирования частоты возбуждения:
ω2 = f(ωr)
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
4AK250SB4У3 (Р2н = 55 кВт, θ'н = 2,92º, η = 0,905, cosφΣ = 0,9)
98
100
96
90
94
80
Cosφ*100
КПД,%
92
90
88
86
60
84
50
82
40
80
0,2
0,4
0,6
1,0
2,0
3,0
4,0 5,0
6,0
7,0
8,0
9,0 10,0 11,0
Угол нагрузки
КПД, % (f2= 5 Гц)
КПД, % (f2= -5 Гц)
30
0,2
0,4 0,6
1,0 2,0
3,0 4,0
5,0 6,0
7,0 8,0
9,0 10,0 11,0
Угол нагрузки
КПД, % (f2= 3 Гц)
КПД, % (f2= -25 Гц)
Коэффициент полезного действия АВД
при различных частотах возбуждения
6
70
Cosφ*100 (f2= 5 Гц)
Cosφ*100 (f2= -5 Гц)
Cosφ*100 (f2= 3 Гц)
Cosφ*100 (f2= -25 Гц)
Коэффициент мощности АВД
при различных частотах возбуждения
Важно: при высоком КПД низкий cosφ на малых нагрузках
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Особенности регулирования частоты возбуждения:
ω2 = f(Мэм), ω2 = 0
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
100
4,5
98
4
96
3,5
94
f2, Гц
3
2,5
2
2опт
1,5
1


Rr ctg 2  1

Lmctg
92
90
88
86
84
0,5
82
0
0,2
0,4
0,6
1,0
1,2
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0 10,0 11,0
80
0,2
0,4
0,6
1,0
1,2
2,0
Угол нагрузки
f2, Гц
Pr, кВт
Изменение частоты возбуждения ω2 = f(Мэм)
и отсутствие рекуперации энергии (Pr ≈ 0)
Достоинство
 Высокий cosφΣ в широком
диапазоне нагрузок
7
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0 11,0
Угол нагрузки
КПД, % (ω2 =f(Мэм))
КПД, % (ω2 = 0)
Cosφ*100 (ω2 =f(Мэм))
Cosφ*100 (ω2 = 0)
Энергетические характеристики АВД
при ω2 = f(Мэм), ω2 = 0
Недостаток
 Оба алгоритма применимы только
в подсинхронной зоне регулирования
угловой скорости ротора
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
Анализ энергетической эффективности алгоритмов
управления АВД по суммарным потерям
Эффективность алгоритмов управления по потерям (ωe=0,25ωeн)
Эффективность алгоритмов управления по потерям (ωeн)
ω 2=f(ωe), ω 2=f(Мэм) и ω2=0
ω2=f(ωe), ω2=f(Мэм) и ω2=0
0,5
4
0,45
3,5
6,7
0,4
3
0,35
2,5
7
ΔР'Σ
ΔР'Σ
10,11
6
0,3
0,25
0,2
5,8
11
0,1
0,05
1 4
1
0,5
3
9,12
2
0,12
0,18
0,30
0,36
0,61
0,91
Мэм, отн. ед.
1,22
1,53
1,84
2,15
1) min_Σпотерь (-ω2=ωe/2)
2) Ψ┴I(-ω2=ωe/2)
3) φ1=const(-ω2=ωe/2)
5) min_Σпотерь (ω2= f(Mэм))
6) Ψ┴I (fω2= f(Mэм))
7) φ1=const (ω2= f(Mэм))
8) min_I (ω2= f(Mэм))
9) min_Σпотерь (ω2 = 0)
10) Ψ┴I (ω2 = 0)
11) φ1=const (ω2 = 0)
12) min_I (ω2 = 0)
1) min_Σ потерь (–ω2=ωе/2)
5)min_Σ потерь (ω2=f(МЭМ))
9) min_Σ потерь (ω2=0)
e  0,25eн
8
8,12
1,4 5,9
0
0
0,06
2,3
1,5
10
0,15
2
4) min_I (-ω2=ωe/2)
2) Ψ ┴I (–ω2=ωе/2)
6) Ψ ┴I (ω2=f(МЭМ))
10) Ψ ┴I (ω2=0)
0,06
0,12
0,18
0,30
0,36
0,61
0,91
1,22
1,53
1,84
2,15
Мэм, отн. ед.
(-ω2=ωe/2)
2) Ψ┴I(-ω2=ωe/2)
3) φ1 1)=min_Σпотерь
const
(–ω2=ωе/2)
5) min_Σпотерь (ω2= f(Mэм))
6) Ψ┴I (ω2= f(Mэм))
7) φ1 9)=min_Σпотерь
const
(ω2 = 0)(ω2=f(М
10) Ψ┴I (ω2ЭМ
= 0) ))
11) φ1 = const (ω2=0)
4) min_I(-ω2=ωe/2)
4)3) φ1=const(-ω2=ωe/2)
min_I (–ω2=ωе/2)
7) φ1=const (ω2= f(Mэм))
8)min_I (ω2= f(Mэм))
8)11) min_I
ЭМ
φ1=const (ω2 = 0) (ω2=f(М
12) min_I (ω2
= 0) ))
12) min_I (ω2=0)
e  eн
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Анализ энергетической эффективности алгоритмов
управления АВД по КПД и cosφΣ
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
Эффективность алгоритмов управления по КПД и cosφ (ωe=0,25ωeн)
ω 2=f(ωe), ω 2=f(Мэм) и ω 2=0
Эффективность алгоритмов управления по КПД и cosφ (ωeн),
ω 2=f(ωe), ω 2=f(Мэм) и ω 2=0
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
2
2, 3
6, 7
1
6
7
1,4
0,3
0,3
10
0,2
3
11 10
11
0,2
4
0,1
0,1
5, 8
9,12
0,06
0,12
0
5,8
0
0,18
0,30
0,36
0,61
0,91
1,22
1,53
1,84
2,15
9,12
0,06
0,12
0,18
0,30
0,36
2) Ψ┴I(-ω2=ωe/2)
3) φ1=const(-ω2=ωe/2)
5) min_Σпотерь (ω2= f(Mэм))
9) min_Σпотерь (ω2 = 0)
6) Ψ┴I (fω2= f(Mэм))
10) Ψ┴I (ω2 = 0)
7) φ1=const (ω2= f(Mэм))
11) φ1=const (ω2 = 0)
1) min_Σ потерь (–ω2=ωе/2)
5)min_Σ потерь (ω2=f(МЭМ))
9) min_Σ потерь (ω2=0)
e  0,25eн
9
4) min_I (-ω2=ωe/2)
2) Ψ ┴I (–ω2=ωе/2)
6) Ψ ┴I (ω2=f(МЭМ))
10) Ψ ┴I (ω2=0)
8) min_I (ω2= f(Mэм))
12) min_I (ω2 = 0)
0,91
1,22
1,53
1,84
2,15
Мэм, отн. ед.
Мэм, отн. ед.
1) min_Σпотерь (-ω2=ωe/2)
0,61
1) min_Σпотерь (-ω2=ωe/2)
5) min_Σпотерь (ω2= f(Mэм))
9) min_Σпотерь (ω2 = 0)
2) Ψ┴I(-ω2=ωe/2)
6) Ψ┴I (ω2= f(Mэм))
10) Ψ┴I (ω2 = 0)
3) φ1 = const (–ω2=ωе/2)
7) φ1 = const (ω2=f(МЭМ))
11) φ1 = const (ω2=0)
3) φ1=const(-ω2=ωe/2)
7) φ1=const (ω2= f(Mэм))
11) φ1=const (ω2 = 0)
4) min_I(-ω2=ωe/2)
8)min_I (ω2= f(Mэм))
12) min_I (ω2 = 0)
4) min_I (–ω2=ωе/2)
8) min_I (ω2=f(МЭМ))
12) min_I (ω2=0)
e  eн
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва
Выводы:
АВД имеет бóльшее число каналов управления по сравнению с другими электрическими машинами.
Возможно регулирование угловой скорости, изменение магнитного состояния машины и управление
активными потерями и реактивной мощностью.
Магнитное состояние и частота возбуждения АВД могут изменяться как в функции требуемого
электромагнитного момента, так и в функции угловой скорости ротора.
Это позволяет реализовать ряд алгоритмов управления, в которых экстремальные значения
энергетических показателей АВД достигаются при различных значениях регулируемых переменных.
При этом возникает задача определения эффективности этих алгоритмов.
Алгоритм минимума суммарных потерь при ω2=f(ωr) обеспечивает наибольшие значения КПД в
широком диапазоне скоростей и нагрузок. Недостаток - низкий cosφΣ в области малых нагрузок.
Изменение частоты возбуждения как ω2 = f(Мэм) и ω2 = 0 обеспечит высокие
энергетические характеристики в широком диапазоне нагрузок . Но применимы только
в подсинхронной зоне.
10
Энергоэффективное управление электроприводом
с асинхронизированным вентильным двигателем
Национальный Исследовательский
Мордовский Государственный
Университет им. Н.П. Огарёва