Энергосберегающее векторное управление асинхронными электродвигателями: обзор состояния и новые результаты

Description

Монография посвящена методам повышения энергоэффективности векторного управления асинхронными электродвигателями. Рассмотрена модель асинхронного электродвигателя и описан принцип векторного управления. Дан краткий обзор существующих методов минимизации мощности потерь при векторном управлении, Приведены новые методы минимизации мощности потерь на основе численного поиска, а также на основе модели электродвигателя. Отдельно рассмотрен вопрос минимизации энергии потерь при ступенчатом изменении механической нагрузки. Все разработанные методы проверены с помощью моделирования и в результате экспериментов. Для инженеров, научных работников, аспирантов и студентов высших учебных заведений, интересующихся вопросами энергосбережения и электропривода. 0.1 О чем эта книга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0.2 Почему эта книга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0.3 Для кого эта книга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0.4 Обратная связь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 Модель асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 Элементарное описание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Системы координат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3 Модель двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Общие уравнения Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Электромагнитная система и Т-образная схема замещения . . . . 11 1.6 Обратная Г-образная схема замещения . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.7 Модель в пространстве состояний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.8 Моделирование в Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Векторное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 Ориентация системы координат по полю ротора . . . . . . . . . . 20 2.2 Векторное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Потребление электродвигателя в вектором режиме управления . . 23 2.4 Оптимальный ток намагничивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Энергоэффективность векторного управления . . . . . . . . . . . . 26 3 Краткий обзор актуального состояния проблемы . . . . . . . . 31 3.1 Классификация потерь в системе электропривода . . . . . . . . . 31 3.2 Аппроксимация потерь в системе преобразователь-электродвигатель 34 3.2.1 Потери в сердечнике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.2 Потери в обмотках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.3 Гармонические потери . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.4 Механические потери . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Потери в частотном преобразователе . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.1 Потери проводимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2 Потери на переключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4 Критерии эффективности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4.1 Сравнение с током статора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4.2 Сравнение потерь в двигателе и преобразователе . . . . . . . 40 3.4.3 Коэффициент мощности и скорость скольжения . . . . . . . 42 3.4.4 Энергоэффективность электропривода средней мощности . . 43 3.5 Классификация методов оптимизации энергоэффективности . . . 44 3.5.1 Управление состоянием двигателя . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5.2 Методы на основе модели мощности потерь . . . . . . . . . . 46 3.5.3 Алгоритмы прямой поисковой оптимизации . . . . . . . . . . 49 4 Варианты методов прямой численной оптимизации для минимизации мощности потерь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2 Предаврительные сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.1 Модель электродвигателя и мощность потерь . . . . . . . . . 54 4.2.2 Метод линейного изменения уставки . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2.3 Метод градиентного спуска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3 Алгоритм на основе линейного изменения уставки . . . . . . . . . 56 4.3.1 Предкомпенсация уставки тока намагничивания . . . . . . . 56 4.3.2 Модификация метода линейного изменения уставки . . . . . 58 4.3.3 Моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3.4 Аппаратная реализация и эксперимент . . . . . . . . . . . . . 61 4.4 Алгоритм на основе метода градиентного спуска . . . . . . . . . . 64 4.4.1 Модификация метода градиентного спуска . . . . . . . . . . . 64 4.4.2 Моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4.3 Эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.5 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5 Минимизация энергопотребления на основе идентификации параметров модели потерь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.1 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.2 Модель потерь в обмотках при магнитном насыщении . . . . . . . 74 5.3 Метод минимизации энергопотребления . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 Условие оптимальности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.2 Идентификация характеристики намагничивания . . . . . . . 75 5.3.3 Алгоритм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.4 Экспериментальная проверка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.5 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6 Энергооптимальное управление при ступенчатом изменении механической нагрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.1 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.2 Предварительные сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2.1 Модель двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2.2 Мощность потерь и оптимальность в установившемся режиме 83 6.3 Задача оптимального управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.1 Оптимальное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.4 Влияние регулятора скорости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.4.1 Исследование субоптимальности . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.5 Влияние насыщения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.5.1 Приближенное решение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.5.2 Исследование субоптимальности . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.6 Эксперименты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.7 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103