Использование приложения Simulink для оценки потребления электроэнергии асинхронным электроприводом

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 21 Ноября 2013 в 11:05, статья

Описание работы

В последнее время наметилась устойчивая тенденция к использова-
нию частотно-регулируемых асинхронных приводов в различных про-
мышленных механизмах. Это обусловлено многими факторами, в том чис-
ле снижением потребления энергии при внедрении таких электроприводов.
Очевидно, что при этом возникает задача оценки потребления электро-
энергии в процессе работы электропривода для обоснования его экономи-
ческой эффективности. В данной работе рассматриваются вопросы вычис-
ления потребления энергии с использованием приложения Simulink пакета
MATLAB. Использование предлагаемой методики в процессе моделирова-
ния асинхронного электропривода конкретного механизма позволяет оце-
нить энергию, потребленную из сети, и потери энергии при его работе, т. е.
энергетическую эффективность современных систем асинхронного элек-
тропривода.

Скачать архив (769.68 Кб) Сколько стоит заказать работу?
Файлы: 1 файл

SIMULINK ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ .pdf

— 814.78 Кб (Скачать файл)
Page 1
Секция 5. Моделирование в Simulink
1387
 УДК 621.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ SIMULINK ДЛЯ
ОЦЕНКИ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
 Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Плотников Ю. В.
Уральский государственный технический университет — УПИ, Екатеринбург,
e-mail: braslav@ep.etf.ustu.ru, ishmatov@mail.ru, plotnikovYV@mail.ru
Введение
В последнее время наметилась устойчивая тенденция к использова-
нию частотно-регулируемых асинхронных приводов в различных про-
мышленных механизмах. Это обусловлено многими факторами, в том чис-
ле снижением потребления энергии при внедрении таких электроприводов.
Очевидно, что при этом возникает задача оценки потребления электро-
энергии в процессе работы электропривода для обоснования его экономи-
ческой эффективности. В данной работе рассматриваются вопросы вычис-
ления потребления энергии с использованием приложения Simulink пакета
MATLAB. Использование предлагаемой методики в процессе моделирова-
ния асинхронного электропривода конкретного механизма позволяет оце-
нить энергию, потребленную из сети, и потери энергии при его работе, т. е.
энергетическую эффективность современных систем асинхронного элек-
тропривода. Кроме технико-экономического обоснования [1,2], методика
вычисления потребленной энергии может также использоваться для про-
верки выбранного двигателя по нагреву; оба этих применения существенно
упрощают процесс проектирования электроприводов.
Постановка задачи
В задачи разработанного блока вычисления потребления энергии
входит:
1. Определение потребляемой из сети энергии за цикл работы
при любых режимах работы асинхронного двигателя.
2. Определение потерь энергии в этих режимах.
3. Разделение потерь на потери в статоре и роторе.
4. Определение циклового КПД.
5. Определение мгновенных и средних потерь.
При разработке этого блока учтено, что при разделении потерь на
потери в статоре и потери в роторе используется значение сопротивления
статора, которое в некоторых случаях может меняться (например, в двух-
Page 2

Труды II научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB»
 1388
 скоростном асинхронном двигателе лифта при переключении на высоко-
полюсную обмотку [1]). При синтезе блока не учитываются потери в ста-
ли, добавочные и вентиляционные, что понятно при оценке переходных
режимов, которые в механизмах циклического действия (например, в
подъемно-транспортных механизмах) занимают большую часть времени.
Также необходимо учесть, что блок будет использоваться для опре-
деления потребляемой энергии в регулируемом электроприводе, представ-
ленном в относительных единицах, при этом уравнения блока претерпят
некоторые изменения, приведенные далее.
Построение блока вычисления потребляемой энергии и потерь
Как было указано выше, при синтезе блока с использованием отно-
сительных единиц изменяется уравнение полной мощности, потребляемой
из сети [3]. Поэтому будет рассмотрено два варианта построения блока.
Блок вычисления потребляемой энергии и потерь в абсолютных
единицах. Уравнения для построения блока в этом случае имеют вид [4]:
Механическая мощность на валу двигателя:
ω
 ⋅
= M
P
 мех
 ,
где
 М
 и
 ω
 — момент и угловая скорость двигателя.
Полная мощность, потребляемая из сети:
)
I
U
I
U
(
2
3
P
 sy
sy
sx
sx
s
 +
⋅
=
,
где
 I
 sx
 , I
 sy
 , U
 sx
 , U
 sy
 — проекции векторов тока и напряжения статора во
вращающейся системе координат.
Баланс мощностей без учета потерь в стали:
rээ
sээ
мех
s
 P
P
P
P
 ∆
∆
 +
+
=
.
Общие потери из баланса мощностей:
мех
s
 P
P
P
−
=
 Σ
 ∆
 .
Потери в статорных цепях:
2
2
sy
s
sx
s
sээ
 I
R
I
R
P
+
=
 ∆
 ,
где
 R
 s
 — сопротивление статорных цепей.
Потери в роторных цепях:
sээ
rээ
 P
P
P
 ∆
∆
∆
 Σ
 −
=
.
Энергия, потребляемая из сети:
∫
 =
 ц
T
0
s
s
 dt
P
W
,
где
 Т
 ц
 — время цикла работы производственного механизма.
Энергия потерь:
Page 3

Секция 5. Моделирование в Simulink
1389
 ∫
 −
=
 Tц
мех
s
 dt
)
P
P
(
W
 0
 Σ
 ∆
 .
Цикловой КПД как отношение механической энергии к энергии, по-
требляемой из сети за цикл работы:
∫
∫
 =
=
 Tц
s
Tц
мех
s
мех
ц
 dt
P
dt
P
W
W
 0
0
 η
 .
Блок вычисления потребляемой энергии и потерь в относитель-
ных единицах. В рамках данной работы используется система относи-
тельных единиц, ориентированная на переменные цепей статора и элек-
тромагнитную мощность машины. Это позволяет получить номинальные
переменные статора и номинальный электромагнитный момент равными
единице [3].
В этом случае изменится только выражение для потребляемой из се-
ти мощности [3] и для получения энергии в относительных единицах нуж-
но вводить базисную мощность.
Полная мощность, потребляемая из сети:
)
i
u
i
u(
p
 sy
sy
sx
sx
s
 +
=
.
Структурная схема блока, построенная на основании приведенных
уравнений, показана на Рис. 1. Здесь приводится реализация этой схемы в
приложении Simulink для блока с использованием относительных единиц.
Схема блока с использованием абсолютных единиц не имеет принципи-
альных отличий. В схему введена постоянная величина, равная 0,01, для
предотвращения деления на нуль в начале моделирования. Это не оказыва-
ет существенного влияния на точность вычисления.
На Рис. 2 показан внешний вид блока и окно установки параметров
для маскированной подсистемы [5].
Page 4

Труды II научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB»
 1390
 Рис. 1. Структурная схема блока вычисления потребляемой энергии
и потерь в приложении Simulink пакета MATLAB.
Рис. 2. Внешний вид блока вычисления потребления энергии (слева) и окно установки
параметров (справа).
Page 5

Секция 5. Моделирование в Simulink
1391
 Результаты моделирования
Рассмотрим пример моделирования процесса пуска асинхронного
двигателя 4A180S2У3 мощностью 22 кВт, данные которого можно найти в
[6], при различных способах управления [7]:
1. Векторное управление с ориентаций поля по вектору потокос-
цепления ротора.
2. Скалярное управление с компенсацией падения напряжения на
сопротивлении статора на низких частотах вращения.
3. Прямой пуск асинхронного двигателя.
Структурная схема для моделирования, реализованная в Simulink, представлена на
 Рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема для расчета потребляемой энергии при различных способах
управления асинхронным двигателем в режиме пуска (вверху — векторное управление,
в нижней части справа– скалярное управление, в нижней части слева — асинхронный
двигатель, напрямую подключенный к сети).
Page 6

Труды II научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB»
 1392
 Переходные процессы, соответствующие рассматриваемым систе-
мам, приведены на Рис. 4. Момент статического сопротивления в процессе
моделирования принимался равным нулю. Механическая энергия для всех
трех способов управления остается постоянной [8] и равной 3,4496кВт·с.
Рис. 4. Переходные процессы (вверху — векторное управление,
в средней части — скалярное управление, внизу — асинхронный двигатель,
напрямую подключенный к сети)
Результаты вычисления потребляемой энергии и потерь за время
пуска сведены в табл. 1.
Таблица 1.
Потребляемая энергия и потери для различных способов управления асинхронным дви-
гателем в режиме пуска.
Частотно-регулируемый элек-
тропривод
Энергия, кВт·с
Прямой пуск
Скалярное
управление
Векторное
управление
Потребленная из сети, Ws
15,78
4,23
3,93
Полных потерь в меди, W
 Σ
 12,33
0,79
0,48
Потерь в меди ротора, ∆Wrэл
3,99
0,23
0,13
Потерь в меди статора, ∆Wsэл
8,34
0,56
0,35
Механическая на валу, Wмех
3,45
Page 7

Секция 5. Моделирование в Simulink
1393
 Для иллюстрации полученных результатов приведена диаграмма,
изображенная на рис. 5, в которой потребляемая энергия и потери показа-
ны в относительных единицах. За 100% принято значение потребляемой из
сети энергии при прямом пуске асинхронного двигателя.
Рис. 5 Диаграмма потребляемой энергии и потерь при пуске асинхронного двигателя с
различными способами управления.
Как видно из приведенного примера, использование блока вычисле-
ния потребляемой энергии позволяет получить достаточно полные данные
для технико-экономического обоснования внедрения новой системы элек-
тропривода. При этом для оценки потребления электроэнергии необходи-
мо построить модели сравниваемых систем электропривода. Применение
разработанного блока упрощает процедуру расчета потребляемой энергии,
поскольку не требует от разработчика дополнительных затрат.
Следует также отметить, что, как было указанно выше, данный блок
может применяться и для проверки выбранного двигателя по нагреву ме-
тодом средних потерь за цикл работы [8].
Литература
1.
 Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Плотников Ю. В
 . Об эффективности
применения частотно-регулируемого электропривода в подъемно-
транспортных механизмах // Вестник Национального технического уни-
верситета «Харьковский политехнический институт».— 2003.
Page 8

Труды II научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB»
 1394
 2.
 Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Авербах И. А., Барац Е. И.,
Кирпичников Н. В.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
кранов // Энергетика региона.— №1.— 2004.
3.
 Шрейнер Р. Т.
 Математическое моделирование электроприводов пере-
менного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты.—
Екатеринбург: УРО РАН, 2000.
4.
 Копылов И. П.
Математическое моделирование электрических машин:
Учебник для вузов.— 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 2001.
5.
 Дьяконов В
 . Simulink 4. Специальный справочник.— СПб: Питер, 2002.
6. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А. Э. Кравчик, Е. А.
Соболенская.— М.: Энергоиздат, 1982.
7.
 Поздеев А. Д
 . Электромагнитные и электромеханические процессы в
частотно-регулируемых электроприводах.— Чебоксары: Изд-во Чуваш.
ун-та, 1998.
8.
 Ключев В. И.
Теория электропривода: Учебник для вузов.— 2-е изд. пе-
рераб. и доп.— М.: Энергоатомиздат, 1998.

Информация о работе Использование приложения Simulink для оценки потребления электроэнергии асинхронным электроприводом