Information System of Minimization Consumption Reactive Power in Asynchronous Electric Drive with Vector Control

Abstract

It is known that the energy performance of asynchronous electric drives is extreme nature. However, when stabilizing the magnetic flux of the asynchronous machine at the nominal level and reducing the load moment on the shaft, the power factor becomes less than the nominal, and this reduction can be significant. Therefore, the paper proposes to improve the energy performance of asynchronous electric drives with a fan mechanical characteristic of the production mechanism by changing the magnetic flux as a function of the moment of resistance forces on the shaft of the asynchronous machine. Thus, to optimize the energy processes in the electric drive when regulating the performance of turbomechanisms, it is necessary to build a system with independent speed control and magnetic flux of an asynchronous machine. Since the control systems of turbomechanisms are designed to stabilize the speed in long-term operation, it is first necessary to ensure the maximum energy performance in steady-state operation. In this work, the increase in energy efficiency is achieved by implementing a vector field-oriented control system of an asynchronous machine with the addition of an extreme control circuit. In the article the information system of two-channel vector control of the asynchronous electric drive with the fan moment of loading which contains a contour of extreme regulation on criterion of a minimum of consumption of reactive power is developed. The dependence of the values of the magnetic flux of the rotor, which are extreme for the reactive power function, mainly on the moment of loading and insignificant on the speed, is substantiated. A synthesized state observer, which estimates the moment of static load, is needed to determine the extreme values of the magnetic flux of the rotor on the basis of the obtained functional dependence. Thus, the idea is to use the reactive power channel of an asynchronous machine not to stabilize the magnetic flux, as was the case in classical vector control systems, but to adjust the modulus of the magnetic flux vector as a function of static load by the minimum stator reactive power. A mathematical model in the Matlab/Simulink environment has been developed and the efficiency of the synthesized information system of minimization of reactive power consumption by an asynchronous electric drive with vector control has been confirmed by mathematical modeling.

Відомо, що енергетичні показники асинхронних електроприводів мають екстремальний характер. Однак при стабілізації потокозчеплення асинхронної машини на номінальному рівні і зменшенні моменту навантаження на валу коефіцієнт потужності стає менше номінального, і це зменшення може бути значним. Тому в роботі пропонується поліпшити енергетичні показники асинхронних електроприводів з вентиляторною механічною характеристикою виробничого механізму шляхом зміни потокозчеплення в функції моменту сил опору на валу асинхронної машини. Таким чином, для оптимізації енергетичних процесів в електроприводі при регулюванні продуктивності турбомеханізмів необхідно побудувати систему з незалежним керуванням швидкістю і потокозчепленням асинхронної машини. Оскільки системи керування турбомеханізмів призначені для стабілізації швидкості в тривалих режимах роботи, то в першу чергу необхідно забезпечити граничні енергетичні показники в сталих режимах експлуатації. У даній роботі підвищення енергоефективності досягається при реалізації векторної полеорієнтованої системи керування асинхронною машиною з додаванням до її складу контуру екстремального регулювання. У статті розроблена інформаційна система двоканального векторного керування асинхронним електроприводом з вентиляторним моментом навантаження, яка містить в своєму складі контур екстремального регулювання за критерієм мінімуму споживання реактивної потужності. Обґрунтована залежність екстремальних для функції реактивної потужності значень потокозчеплення ротора головним чином від моменту навантаження і незначна від швидкості. Синтезований спостерігач стану, який оцінює момент статичного навантаження, необхідний для визначення екстремальних значень потокозчеплення ротора на підставі отриманої функціональної залежності. Таким чином, ідея роботи полягає в тому, щоб використовувати канал реактивної потужності асинхронної машини не для стабілізації потокозчеплення, як це було в класичних системах векторного керування, а для регулювання модуля вектора потокозчеплення ротора в функції моменту статичного навантаження за критерієм мінімуму реактивної потужності статора. Було розроблено математичну модель у середовищі Matlab/Simulink і шляхом математичного моделювання підтверджена працездатність синтезованої інформаційної системи мінімізації споживання реактивної потужності асинхронним електроприводом з векторним керуванням.

Известно, что энергетические показатели асинхронных электроприводов имеют экстремальный характер. Однако при стабилизации потокосцепления асинхронной машины на номинальном уровне и уменьшении момента нагрузки на валу коэффициент мощности становится меньше номинального, и это уменьшение может быть значительным. Поэтому в работе предлагается улучшить энергетические показатели асинхронных электроприводов с вентиляторной механической характеристикой производственного механизма путём изменения потокосцепления в функции момента сил сопротивления на валу асинхронной машины. Таким образом, для оптимизации энергетических процессов в электроприводе при регулировании производительности турбомеханизмов необходимо построить двухканальную систему с независимым управлением скоростью и потокосцеплением асинхронной машины. Поскольку системы управления турбомеханизмами предназначены для стабилизации скорости в длительных режимах работы, то в первую очередь необходимо обеспечить предельные энергетические показатели в установившихся режимах эксплуатации. В данной работе повышение энергоэффективности достигается при реализации векторной полеориентированной системы управления асинхронной машиной с добавлением в её состав контура экстремального регулирования. В статье разработана информационная система двухканального векторного управления асинхронным электроприводом с вентиляторным моментом нагрузки, содержащая в своём составе контур экстремального регулирования по критерию минимума потребления реактивной мощности. Обоснована зависимость экстремальных для функции реактивной мощности значений потокосцепления ротора главным образом от момента нагрузки и незначительная от скорости. Синтезирован наблюдатель состояния, оценивающий момент статической нагрузки, необходимый для определения экстремальных значений потокосцепления ротора на основании полученной функциональной зависимости. Таким образом, идея работы состоит в том, чтобы использовать канал реактивной мощности асинхронной машины не для стабилизации потокосцепления, как это было в классических системах векторного управления, а для регулирования модуля вектора потокосцепления ротора в функции момента статической нагрузки по критерию минимума реактивной мощности статора.