Использование емкостных накопителей энергии для улучшения эксплуатационных характеристик электроприводов

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Асинхронный двигатель

Преобразователь частоты

Принципиальная схема двухзвенного преобразователя частоты

Преобразователи частоты

с активным выпрямителем

Для анализа основных тенденций переходных и установившихся режимов, а также для оценки энергетических характеристик электропривода достаточно использовать эквивалентные непрерывные модели преобразователя частоты, которые не учитывают переключения силовых ключей неуправляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения.

Математическое описание асинхронного двигателя базируется на представлении обобщенной электрической машины во вращающейся системе координат при общепринятых допущениях. Эти допущения предполагают, что асинхронная машина симметричная, не учитывается эффект вытеснения тока в обмотке ротора, насыщение магнитной цепи, а также не учитываются потери в стали магнитопровода. Все параметры математических моделей записываются в системе относительных единиц.

Такой подход также имеет ряд недостатков:

• существенное повышение стоимости преобразователя частоты;
• для использования энергии рекуперации к сети должны быть подключены другие потребители энергии, что бывает не всегда;
• существующее законодательство не позволяет продавать вырабатываемую энергию энергоснабжающей компании.

Система уравнений в векторной форме для математического описания преобразователя частоты при непрерывной аппроксимации коммутационных функций:

Функциональная схема, иллюстрирующая принципы построения математической модели «преобразователь частоты – асинхронный двигатель»

Использование емкостных накопителей энергии для улучшения эксплуатационных характеристик электроприводов

Преобразователи частоты

с емкостными накопителями энергии

Преобразователи частоты

с неуправляемым выпрямителем

Математическая модель неуправляемого выпрямителя

Математическая модель АД во вращающейся системе координат 0xy

Математическая модель автономного инвертора напряжения

В подавляющем большинстве случаев современные двухзвенные преобразователи частоты строятся по схеме, на входе которой установлен неуправляемый выпрямитель.

В тормозных режимах работы электродвигателя энергия торможения рассеивается на дополнительном тормозном сопротивлении, установленном в звене постоянного тока.

В последние несколько лет на рынке электротехнических изделий стали появляться конденсаторы большой емкости, так называемые суперконденсаторы.

В связи с этим может рассматриваться еще один вариант утилизации энергии торможения – с помощью емкостных накопителей энергии, установленных в звене постоянного тока преобразователя частоты.

VII Международная конференция по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012»

Система автоматического управления

Суперконденсатор

Важно отметить, что конденсатор в представленной математической модели описывается интегрирующим звеном, что приемлемо для «обычных» конденсаторов, но не всегда адекватно отражает физические процессы в суперконденсаторах.

При моделировании процессов в частотно-регулируемом электроприводе с суперконденсатором будем использовать наиболее распространенную скалярную разомкнутую систему управления.

Схема замещения суперконденсатора, на которую ссылается наиболее известный производитель Maxwell

Функциональная схема скалярной разомкнутой системы автоматического управления

Для задач математического моделирования схема замещения может быть представлена в виде следующей передаточной функции:

ЗИ – задатчик интенсивности;

ФП - функциональный преобразователь с пропорциональным законом частотного управления;

ПЧ - силовая часть преобразователя частоты;

АД – асинхронный двигатель.

Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Костылев А.В.,

Плотников Ю.В., Поляков В.Н., Эрман Г.З.

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19

ФГАОУ ВПО «УрФУ», кафедра «Электропривода и автоматизации промышленных установок»

Тел: +7 (343) 375-46-46

E-mail: aced@ep.etf.ustu.ru

620026 г. Екатеринбург, ул. Бажова, 174

Конструкторское Бюро "АГАВА"

Тел: +7 (343) 2629276

E-mail: agava@kb-agava.ru

Постановка задачи

Задачей данного исследования является разработка математической модели частотно-регулируемого электропривода с емкостными накопителями энергии для предварительной оценки энергетических характеристик электропривода и проведение эксперементальных исследований электропривода с суперконденсаторами.

ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Переходные процессы в электроприводе со знакопеременной нагрузкой

Для проведения экспериментальных исследований с суперконденсатором на кафедре электропривода УрФУ была создана лабораторная установка на основе преобразователя частоты Erman.

1. Работа электропривода со знакопеременной (активной) нагрузкой

Результаты эксперимента

Результаты моделирования

Тормозное сопротивление 50 Ом

Включение в работу

тормозного сопротивления

Преобразователь постоянного тока Simoreg DC Master

Номинальная мощность 6,3 кВт

1 – угловая скорость двигателя,

2 – электромагнитный момент двигателя,

3 – ток на выходе неуправляемого выпрямителя,

4 – напряжение в звене постоянного тока преобразователя,

5 – момент статического сопротивления

AR5 — анализатор качества электроэнергии

СК 200ПП 18/0,31

Напряжение в звене постоянного тока

В задачу экспериментальных исследований входит сравнительная оценка энергопотребления частотно-регулируемого электропривода с «обычным» конденсатором и суперконденсатором при циклическом режиме работы со знакопеременной нагрузкой. Замеры энергопотребления проводились за 10 циклов работы.

Активная составляющая момента - 75% от номинального момента. Реактивный момент - 15 % от номинального момента.

Подобный режим работы имеют транспортные механизмы, крановые электроприводы, пассажирские и грузовые лифты и некоторые другие.

1 – угловая скорость двигателя,

2 – ток якоря двигателя постоянного тока (пропорционален активной составляющей нагрузки) – инверсный сигнал,

3 – напряжение в звене постоянного тока

Преобразователь частоты Erman

Номинальная мощность 11 кВт

Скалярная САУ

Скорость двигателя

Задание на частоту

Задание нагрузки

а) электропривод с конденсатором емкостью 1650 мкФ

Диаграмма работы электропривода со знакопеременной нагрузкой

Сигнал с датчика скорости

Заряд суперконденсатора

2. Работа электропривода при перебоях питающего напряжения

1 – угловая скорость двигателя,

2 – электромагнитный момент двигателя,

3 – ток на выходе неуправляемого выпрямителя,

4 – напряжение в звене постоянного тока преобразователя,

5 – момент статического сопротивления

Датчик напряжения в звене постоянного тока

Плата сбора данных

National instruments NI6221

1 – угловая скорость двигателя,

2 – ток якоря двигателя постоянного тока (пропорционален активной составляющей нагрузки) – инверсный сигнал,

3 – напряжение в звене постоянного тока

Наличие накопителя энергии большой емкости в звене постоянного тока теоретически должно повышать надежность работы электропривода в условиях кратковременного исчезновения или снижения питающего напряжения.

Поэтому далее выполнено исследование процессов в электроприводе с суперконденсатором при исчезновении питающего напряжения. Задачей исследования в этом случае является оценка продолжительности работы электропривода с суперконденсатором при отключении питающего напряжения. Опыты проводились при различных значениях нагрузки на валу двигателя и затем результаты сравнивались с результатами аналогичного исследования для электропривода с «обычным» конденсатором и тормозным сопротивлением.

ДПТ П-42

Номинальная мощность 4,5 кВт

Номинальное напряжение 220 В

Номинальный ток 25,7 А

Номинальная скорость 1500 об/мин

АД RA100LB4У3

Номинальная мощность 3 кВт

Номинальное напряжение 380 В

Номинальный ток 7,2 А

Номинальная скорость 1390 об/мин

Номинальный КПД 78 %

Коэффициент мощности 0,8

Принципиальная схема силовых цепей преобразователя частоты с суперконденсатором

б) электропривод с суперконденсатором емкостью 0,21 Ф

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ВЫВОДЫ И ОБОБЩЕНИЯ

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Работа электропривода при перебоях питающего напряжения

ЭП с обычным

конденсатором

Показатель

ЭП с суперконденсатором

Электропривод с "обычным" конденсатором

Электропривод с суперконденсатором

(cc) photo by medhead on Flickr

0,21

0,4

Активная энергия, кВт•час

0,19

Экономия активной энергии, кВт•час

а) момент статического сопротивления 15 %, время работы 16,8 с

а) момент статического сопротивления 15 %, время работы 0,4 с

Экономия активной электроэнергии, %.

47,5

Применение емкостных накопителей энергии в частотно-регулируемом электроприводе дает следующие основные преимущества:

• Обеспечивается существенная экономия потребляемой электроэнергии. Экспериментально показано, что при достаточно высокой интенсивности работы электропривода и при наличии тормозных режимов работы двигателя можно получить экономию активной энергии до 50 % и реактивной энергии до 60 %.
• Наличие мощного накопителя энергии в звене постоянного тока позволяет повысить надежность работы электропривода, в частности обеспечить работоспособность электропривода при кратковременных провалах питающего напряжения или корректного завершения работы в случае отключения питающего напряжения.
• В электроприводе с суперконденсатором наблюдаются существенно меньшие броски тока, потребляемого из сети в пусковых режимах, что благоприятно сказывается на режимах работы питающей сети и уровне гармоник, генерируемых в сеть. Это особенно важно для достаточно «слабых» сетей.

Учитывая пока достаточно высокую стоимость суперконденсаторов, можно предположить, что в настоящее время рациональной областью применения таких накопителей энергии будут электроприводы, работающие в повторно-кратковременном режиме с большой частотой включения в час, а также электроприводы с резко-переменной нагрузкой. В первом случае можно получить заметную экономию электроэнергии, во втором – еще и существенное снижение нагрузок на питающую сеть.

0,04

0,09

Реактивная энергия, кВАр•час

б) момент статического сопротивления 45 %, время работы 4,5 с

б) момент статического сопротивления 45 %, время работы 0,266 с

Экономия реактивной энергии, кВАр•час

0,05

Экономия реактивной электроэнергии, %.

55,5

в) момент статического сопротивления 75 %, время работы 0,2 с

в) момент статического сопротивления 75 %, время работы 2,2 с

При использовании электропривода с суперконденсатором в механизмах с подобным режимом работы можно получить экономию электроэнергии до 50 %.

Количественные показатели экономии зависят от режима работы, мощности электропривода, емкости суперконденсатора и других факторов. Поэтому, для более точной предварительной оценки экономии электроэнергии необходимо проводить дополнительные расчеты и моделировать конкретный режим работы выбранного производственного механизма.

г) момент статического сопротивления 90 %, время работы 0,066 с

г) момент статического сопротивления 90 %, время работы 1,8 с

1 – угловая скорость двигателя, 2 – напряжение в звене постоянного тока