Power losses minimization and energy accounts in induction motors with nonstationary loads

Abstract

The main objective of this paper is to analyze domestic and foreign experience regarding the simultaneous electromagnetic and electromechanical transients in an electromechanical system with an electric motor based on an asynchronous machine as well as to investigate their influence in the problems of the power loss minimization when applying different control strategies to reduce the total electricity consumed from the grid. Methodology. A generalized block diagram was formed to reflect the process of converting the consumed energy from the grid into mechanical power according to the conservation law for an electromechanical converter operating in the motor mode. Mathematical modeling of an asynchronous machine was performed in the framework of indirect field-oriented control system considering the stepped trajectory of load torque, which is possible as a result of mechanical perturbation or when the motor performs complex speed profiles or counteracts shock loads. Results. A mathematical model of the investigated system addressing the magnetic flux linkage dynamics equation and mechanical torque equation obtained directly from the equivalent circuit was developed. The reference value of the field-generating current is an additional degree of freedom in the system. Hence, in order to ensure minimum energy consumption with an adequate intensity of transients in the control object, the implemented model allows for comparative analysis of different approaches to solving this problem. Originality. For the first time, a comprehensive transient analysis was performed when an asynchronous machine was operating in a non-stationary load mode and the economic effect of implementing an energy-efficient control law during the transient process was discussed. Practical value. The approach to minimizing the power loss in the dynamic mode of operation, which has the same formulation for the optimization problem in static mode and reduces peaks instantaneous power loss in dynamics. The proposed iterative approach to the energy loss account and the comparative analysis of the effect of the implementation of different optimization methods gives good results even with a simple mathematical model of the motor.

Стаття спрямована на аналіз вітчизняного та закордонного досвіду стосовно одночасного протікання електромагнітних та електромеханічних перехідних процесів в електромеханічній системі із електричним двигуном на базі асинхронної машини та дослідження їх впливу в задачах мінімізації потужності втрат в обмотках при застосуванні різних законів керування, що в свою чергу веде до зниження сумарної споживаної електроенергії з мережі. У процесі дослідження була сформована узагальнена структурна схема, яка відображає процес перетворення споживаної енергії з мережі в механічну потужність як результат взаємодії обертового електромагнітного поля з активною складовою струму ротора згідно закону збереження для електромеханічного перетворювача, працюючого в режимі двигуна. Ми провели математичне моделювання асинхронної машини у складі системи векторного керування з орієнтацією по полю ротора з урахуванням ступінчатої форми зміни траєкторії моменту навантаження, яка можлива в результаті механічного збурення, а також відпрацюванні профілю швидкості з постійним прискоренням або гальмуванням. Ми розробили математичну модель електромеханічної системи керування електродвигуном в рамках системи векторного керування з урахуванням рівняння динаміки потокозчеплення та рівняння крутного моменту двигуна отримані безпосередньо зі схеми заміщення. Уставка струму намагнічування є додатковим ступенем свободи в даній системі. Тобто для забезпечення мінімальних витрат енергетичних ресурсів при достатній інтенсивності протікання перехідних процесів в об’єкті керування реалізована модель дозволяє проводити порівняльний аналіз різних підходів до вирішення цієї задачі. Вперше було проведено комплексний аналіз перехідних процесів коли асинхронна машина працює в режимі з нестаціонарним навантаженням та економічного ефекту від впровадження енергоефективного закону керування під час перехідного процесу. Розглянутий підхід до мінімізації потужності втрат у динамічному режимі роботи електромеханічної системи із електричним двигуном на базі асинхронної машини з короткозамкненим ротором який має однакове формулювання як для оптимізаційної задачі у статичному режимі роботи, так і в динамічному зменшує пікові значення миттєвої потужності втрат при ступінчатій зміні навантаження на валу електродвигуна. Запропонований ітеративний підхід до врахування енергії втрат та порівняльного аналізу ефекту від впровадження різних методів оптимізації дає хороші результати навіть з простою математичною моделлю двигуна.