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.
Author(s): Борисевич А.В.
Series: Научная мысль
Publisher: Инфра-М
Year: 2015
Language: Russian
Pages: 116
City: Москва
Tags: монография
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
