авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Алгоритмы оптимального управления гребной электрической установкой с машиной двойного питания

На правах рукописи

Гельвер Фёдор Андреевич АЛГОРИТМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ С МАШИНОЙ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и электрооборудование береговых ус тановок» в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профес сионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных ком муникаций».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Самосейко Вениамин Францевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Соколовский Георгий Георгиевич кандидат технических наук Калачиков Павел Николаевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Центральное морское конструкторское бюро «Алмаз» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «» 2009 года в _ на заседании совета по защи те докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государст венного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «» 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертации М. П. Белов I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в качестве движительного комплекса судна широкое применение находят автоматизированные гребные электрические установки (ГЭУ), которые по ряду эксплуатационных параметров имеют преимущества по сравнению с установками, имеющими механическую передачу от теплового двигателя к валу винта. Во просам проектирования и эксплуатации систем электродвижения уделяется большое внима ние.

При создании судовых систем электродвижения возникает проблема обоснованного выбора типа передачи энергии к движителю и выбора типа электромеханического преобра зователя электропривода гребного винта, а также алгоритмов управления ими. При этом од ним из основных и важнейших критериев управления электрическими установками является показатель энергетической эффективности.

Повышение энергетической эффективности является одним из приоритетных направ лении технической политики не только в области судостроения, но и в других областях нау ки и техники, и регламентируется Федеральным законом РФ "Об энергосбережении и повы шении энергетической эффективности". Повышение энергетической эффективности при управлении гребной электрической установкой ведет к уменьшению габаритов и массы ис точников электроэнергии, снижает потребление топлива, вызывает удешевление эксплуата ции судна и увеличению автономности плавания. Побочным эффектом повышения энергети ческой эффективности становится снижение массы и занимаемой площади гребной электри ческой установки, что дополнительно обеспечивает увеличение используемой грузоподъем ности.

Широкое использование регулируемых электроприводов в ГЭУ привело к тому, что современный электропривод является не только энергосиловой основой ГЭУ, позволяющей обеспечить движитель необходимой механической энергией, но и средством управления технологическими режимами работы ГЭУ, так как задачи по реализации качества работы электроустановок в настоящее время в большинстве случаев возлагаются на систему управ ления.

Целью работы является решение научно-технической задачи повышения энергетиче ской эффективности и улучшения технико-экономических и эксплуатационных характери стик ГЭУ на базе применения машин двойного питания, а также разработка алгоритмов управления ГЭУ с машиной двойного питания в режимах экономичного и полного хода.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные за дачи:

1) Предложена методика оценки алгоритмов управления электромеханическими сис темами по критерию энергетической эффективности и показано, что существует управление, обеспечивающее максимальное значение показателя энергетической эффективности.

2) Выполнен поиск оптимального электромеханического преобразователя на множе стве типов электрических машин, выпускаемых промышленностью при оптимальном управ лении по критерию энергетической эффективности.

3) Синтезированы алгоритмы оптимального управления машиной двойного питания по критерию энергетической эффективности.

4) Выполнен анализ технологических режимов и конструктивных особенностей греб ных электрических установок.

5) Разработана математическая модель автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания и синтезированы алгоритмы оптимального управления, обеспечивающие режимы экономичного и полного хода.

6) Синтезированы алгоритмы информационного обеспечения управления автоматизи рованной ГЭУ с машиной двойного питания.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались теория системного анализа, теория автоматического управления, теории электрических цепей и электрических машин. В качестве аппарата исследования использо ваны методы прикладной математики: векторное и матричное исчисления, дифференциаль ное исчисление, методы оптимизации и комплексного анализа. Численная реализация и ана лиз математических моделей выполнялся на ЭВМ с использованием пакета математических программ Simulink (приложении MatLab), Maple и MathCAD.



Научную новизну имеют следующие основные результаты и положения диссертаци онной работы:

1) Методика оценки алгоритмов управления электромеханическими системами по критерию энергетической эффективности.

2) Математическая модель машины двойного питания, отличающаяся тем, что исход ные уравнения с периодическими коэффициентами преобразованы в уравнения с постоян ными коэффициентами и выделены уравнения якоря и индуктора.

3) Синтез алгоритмов оптимального управления машиной двойного питания автома тизированной ГЭУ, обеспечивающих максимальное значение показателя энергетической эф фективности.

4) Алгоритмы информационного обеспечения автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов. На учные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и подтверждены результатами математического моделирования и базируются на строго доказанных выводах.

Практическая ценность полученных результатов:

1) Методика оценки качества алгоритмов управления электромеханическими систе мами по критерию электрических потерь.

2) Доказано, что асинхронный электродвигатель с идентичными параметрами статора и ротора при оптимальных алгоритмах управления обладает наилучшей энергетической эф фективностью по сравнению с другими видами электромеханических преобразователей, и позволяет развивать двойную мощность при потерях энергии не превышающих номиналь ные.

3) Установлено, что использование машины двойного питания с идентичными пара метрами статора и ротора позволит создать автоматизированную движительную установку с уменьшенными массогабаритными показателями и высоким показателем энергетической эффективности.

4) Создана информационная база данных составных элементов гребных электриче ских установок.

5) Возможность использования машины двойного питания не только при проектиро вании новых и модернизации существующих установок ГЭУ, но и применение в различных областях техники.

Реализация результатов работы. Научные положения, выводы и рекомендации дис сертационной работы использованы в разрабатываемых проектах и НИР одного из ведущих научно-исследовательских институтов России по созданию ГЭУ и судового электропривода ФГУП “ЦНИИ СЭТ”.

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1) Методика оценки алгоритмов управления электромеханическими системами по критерию энергетической эффективности.

2) Математическая модель машины двойного питания, представленная в виде уравне ний индуктора и якоря.

3) Алгоритмы оптимального управления машиной двойного питания автоматизиро ванной ГЭУ в режимах экономичного и полного хода, обеспечивающие максимальные зна чения показателей энергетической эффективности и быстродействия соответственно.

4) Уравнения наблюдателей состояния машины двойного питания позволяющие строить системы управления без датчика частоты вращения.

Апробация работы. Основные результаты работы изложены: в трудах V Междуна родной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу “АЭП 2007”;

на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых сотрудников СПГУВК 2004-2009 гг.;

на заседаниях секции НТС ФГУП “ЦНИИ СЭТ” в 2007 и 2008 гг.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 статьях, в том числе две из них опубликованы в издании, имеющимся в перечне научных журналов ВАК Мини стерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 135 страницах ос новного текста, содержит 52 рисунка и 4 таблицы. Список литературы включает 105 наиме нования.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и за дачи, объект и предмет исследования. Показана научная новизна и практическая ценность выполненной работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, и практиче ская ценность полученных результатов диссертационной работы.

В первой главе освещаются вопросы, связанные с анализом структурных схем греб ных установок, приводятся достоинства и недостатки электрического привода. Приведены количественные оценки при сравнении редукторного и безредукторного приводов ГЭУ по критериям коэффициента полезного действия, массе и габариту. Рассматриваются различные виды электромеханических преобразователей, производится их сравнение по ряду показате лей качества для привода ГЭУ и обосновывается целесообразность использования машины двойного питания. В завершении главы устанавливаются границы между двумя тенденциями построения ГЭУ и области применения машин двойного питания.





Гребная установка – комплекс, образованный первичным двигателем, движителем и системой их сопряжения. Наиболее простая технология передачи энергии от теплового дви гателя к движителю состоит в прямом соединении их валом. Однако управляемость судном возрастает, если передача энергии осуществляется от первичного двигателя через энергосис тему, образованную генератором электрической энергии и электродвигателем.

Важными факторами ГЭУ являются энергетические и массогабаритные показатели.

Уменьшить габаритные размеры и стоимость электрических машин можно за счет повыше ния частоты их вращения. Но чем выше частота вращения двигателя и меньше масса, габа ритные размеры и стоимость двигателя, тем больше редуктор - его масса, габаритные разме ры и стоимость. Возникает конфликтная ситуация: электромашиностроитель, минимизируя собственные затраты (кг/кВт) и повышая КПД электродвигателя, увеличивает его частоту вращения, а это приводит к увеличению массы и стоимости редуктора. Максимальная же частота вращения гребного винта лежит в пределах 200300 оборотов в минуту и зависит от технических характеристик и параметров самого винта. При рассмотрении различных типов электромеханических преобразователей ГЭУ по ряду показателей качества установлено, что асинхронный электродвигатель с фазным ротором по сравнению с другими электромехани ческими преобразователями обладает лучшей энергетикой, что особенно актуально для ав тономных систем, к которым относятся системы электродвижения. Применение электродви гателя двойного питания ведет к повышению частоты вращения и необходимости примене ния редуктора. Поэтому в данной главе устанавливаются границы между двумя тенденциями построения ГЭУ и области применения машин двойного питания.

Анализ редукторного и безредукторного ГЭУ направлен на определение областей их преимущественного применения. Для более наглядного сравнения в данной главе приведены графики сравнения вариантов безредукторного электропривода с низкооборотной электриче ской машиной и редукторного привода с асинхронным электродвигателем двойного питания.

Сравнение производилось проектов разрабатываемых в ФГУП “ЦНИИ СЭТ” с альтернатив ными вариантами гребной электрической установки, в состав которой входит машина двой ного питания и редуктор.

На рис.1 представлены зависимости относительной массы безредукторных и редук торных вариантов построения mом кг/(кВА) ГЭУ. Из данных графиков сле дует, что по массогабаритным Безредуктрорный показателям, безредукторные вариант ГЭУ при ГЭУ уступают редукторным.

nдв=300 об/мин Особенно это проявляется у ус тановок большой мощности.

Следовательно, применение ре дукторного электропривода с машиной двойного питания в ГЭУ следует считать перспек тивным и более предпочтитель Редуктрорный ным, так как он обладает более вариант ГЭУ при nдв=3000 об/мин высокой удельной мощностью по массе (кВт/кг) и более высо кой удельной мощностью по объему (кВт/м3).

S Вторая глава посвящена 7 МВА вопросам математического опи 1 2 3 4 5 Рис. 1. Зависимости относительной массы сания асинхронной машины с безредукторных и редукторных ГЭУ фазным ротором при двойном питании и синтезу алгоритмов управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания, по критериям энергетической эффективности и быстродействия.

Использование стандартной схемы подключения машины двойного питания не позво ляет получить максимальной энергетической эффективности использования асинхронного электродвигателя с фазным ротором. Поэтому предлагается модификация данной схемы по зволяющая получить наилучшие показатели энергетической эффективности использования асинхронного электродвигателя, с фазным ротором, изображенная на рис.2.

Преобразователь частоты (ПЧ) позволяет синтезиро вать симметричные трехфазные синусоидальные напряже- ABC 1 * ния: ПЧ cos(1 t + ) u A U1* US = u B =U1 cos(1 t + ), uA uB u C cos(1 t + + ) uC * i1A i2C* где - начальная фаза напряжения;

=2/3;

U1 - амплитуда i1B* i2B* напряжения на выходе преобразователя частоты;

1 - угловая i1C* i2A* M частота напряжения. Последовательность чередования фаз обмотки статора Рис. 2. Схема питания ро будем считать прямой, а у ротора – обратной. Следует отме тора и статора асинхрон тить, что если обмотки статора и ротора имеют одинаковую ного электродвигателя от последовательность чередования фаз, то поля статора и рото- одного электрического ра будут вращаться с одинаковой скоростью 1 в одном на- преобразователя правлении, а ротор будет неподвижным. Если обмотки ста тора и ротора имеют различную последовательность чередования фаз, то поля статора и ро тора будут вращаться с одинаковой скоростью 1, но в различных направлениях, а ротор бу дет вращаться с двойной угловой скоростью =21.

Математическая модель асинхрон ротор статор ного электродвигателя с магнитосвязан RS LS LR RR ными обмотками статора и ротора может LSR= LRST быть представлена схемой замещения US IS IR LS0 LR0 UR представленной на рис.3. На данной схеме RS = RS1 и RR = RR1 - матрицы активных Рис. 3. Схема замещения обмоток статора и ро сопротивлений фаз статора и ротора соот тора асинхронной машины ветственно;

LS = LS1 и LR = LR1 – матри цы индуктивностей рассеяния фаз статора и ротора соответственно.

Матрицы основных и взаимных индуктивностей обмоток обобщенной машины, учи тывая симметрию магнитной системы и обмоток, можно переписать в следующем виде:

LSSDSTDS LSRDSTV()DR LSS LSR() = LRSDR TV()TDS LRRDRTDR LRS() LRR где LSS = wS20;

LSR = LRS = wSwR0;

LRR = wR2 0;

0 - основная магнитная проводимость;

DS, DR – фазные матрицы обмоток статора и ротора;

wS и wR – эквивалентное число витков фазных обмоток статора и ротора, равное произведению числа витков фазных обмоток на обмоточный коэффициент;

V() –матрица вращения;

=t - угол поворота ротора, рад;

угловая скорость вращения ротора, рад/с.

Используя второй закон Кирхгофа, запишем уравнения в естественной системе коор динат A, B, C US=RS·IS+LSS·pIS+ p (LSR·IR);

(1) UR=RR·IR+LRR·pIR+ p (LRS·IS), где р – оператор дифференцирования переменной по времени t.

Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя определяется выражени ем:

LSR ( ) ·IR = - IRT· LRS ( ) ·IS.

M = IST· (2) Получившиеся уравнения являются линейными с периодическими коэффициентами в виде матриц вращения. Для упрощения анализа и синтеза динамических процессов целесо образно произвести дальнейшие преобразования.

Токи и напряжения в системе координат u,v связаны с векторами в естественной сис теме координат соотношениями:

U1=2/mV(1t)TDSUS;

I1= 2/mV(1t)TDSIS;

U2= 2/n(wS/wR)V(2t)TDRUR;

I2= 2/m(wR/wS)V(2t)TDRIR.

Векторы U1, U2, I1, I2 характеризуются двумя координатами на плоскости:

u u i i U1= 1u ;

U2= 2u ;

I1= 1u ;

I2= 2u.

u1v u2 v i1v i2 v В результате замены переменных получим новую систему уравнений в осях коорди нат u, v в следующем виде:

U1 = R1·I1+1L11·EI1+L11·pI1+1L0·EI2+L0·pI2;

(3) U2 = R2·I2+2L22·EI2+L22·pI2+2 L0·EI1+L0pI1, где L11=L0+L1;

L22=L0+L2.

Электромагнитный момент m - фазной асинхронной машины на пару полюсов в осях координат u,v определяется выражением:

М =(m/2)L0·I1TEI2. (4) Уравнения, записанные для двухмерных векторов в осях координат u,v, можно пере писать в комплексной форме записи путем формальной замены E на мнимую единицу j, а векторы U1, U2, I1, I2 на комплексные переменные:

u1= u1U+ju1V, u2= u2U+ju2V, i1= i1U+ji1V, i2= i2U+ji2V.

Тогда уравнения в осях координат u,v в комплексной форме записи:

U1 = R1·I1 + j·1L11I1 + L11·pI1+ j·1L0I2 + L0·pI2;

(5) U2=R2·I2 + j·2L22I2 + L22·pI2 + j·2 L0I1 + L0·pI1.

Электромагнитный момент в комплексных переменных определяется:

М = jL0·(1I2 –I12) =L0·[Im(I1)Re(I2)–Re(I1)Im(I2)], (6) где - сопряженное комплексное число I;

Re(I) - действительная часть числа I;

Im(I) - мнимая часть числа I.

В матричной форме записи выражение для электромагнитного момента будет иметь следующий вид:

jL0·ITE = L0·Im(IT)ERe(I).

М= Комплексные амплитуды напряжений обмоток статора и ротора можно записать в ви де:

U1 = U1exp(j) = Ud + jUq;

(7) U2=1=U1exp(–j) = Ud – jUq, где Ud= U1cos();

Uq = U1sin(). Комплексная амплитуда U1 связана с комплексом дейст вующего значения U1 соотношением: U1 = U1 2.

Динамика электромагнитных процессов описывается дифференциальными уравне ниями:

U1 = R1·I1 + j·1L11I1 + L11·pI1+ j·1L0I2 + L0·pI2;

1 = R2·I2 + j·2L22I2 + L22·pI2 + j·2 L0I1 + L0·pI1.

Будем полагать, что обмотки статора и ротора имеют одинаковые параметры: R1=R2= R;

L1=L2;

L11=L22. При равенстве параметров статора и ротора несложно установить, что токи статора и ротора связаны соотношениями I1 = 2 и I2 = 1. Тогда уравнения примут следую щий вид:

U1 = R1·I1 + j·1L11I1 + L11·pI1+ j·1L01 + L0·p1;

(8) 1 = R1·1 – j·1L111 + L11·p1 – j·1L0I1 + L0·pI1.

Первое уравнение напряжений является сопряженным уравнением по отношения ко второму уравнению. Комплексы токов статора и ротора:

I2 = 1 = Id – jIq. (9) I1 = Id + jIq;

Графическая иллюстрация связей между векторами токов представлена на рис.4. Ток Id будем называть током намагничивания, а ток Iq - током нагрузки.

В результате замены переменных (7) и (9) в уравнениях (8) получим новые уравнения с вещественными переменными:

Ud = R·Id – 1LqIq+LdpId;

(10) Uq = R·Iq+1LdId +Lq·pIq, (11) где Lq = L1= L2;

Ld = 2L0 + L1 2L0. При этом электромагнитный момент машины можно за писать в следующем виде:

М = j(1/2)L0·(1I2 –I12) = 2·L0·IdIq=(Ld –Lq)·IdIq Ld·IdIq. (12) 2Id Новые уравнения записаны в скалярной форме и + имеют второй порядок. Индуктивность Lq много мень +j ше индуктивности Ld. Значение Lq = L1 составляет всего около двух процентов от индуктивности Ld 2L0. По 2Iq I I1 лученные уравнения аналогичны уравнениям машины U постоянного тока. Первое уравнение является уравне нием индуктора и аналогично уравнению цепи обмотки Ud Uq возбуждения машины постоянного тока, а второе – об Рис. 4. Векторная диаграмма мотки якоря.

токов и напряжений Алгоритм управления машиной двойного питания по критерию энергетической эффективности Управление, обеспечивающее максимальный коэффициент энергетической эффектив ности kэ=1 заключается в обеспечении заданного электромагнитного момента с минималь ными потерями энергии в обмотках статора и ротора.

Согласно уравнению электромагнитного момента (12) и условию Id2+Iq2=I12 в гл.3 по казано, что для управления ГЭУ с машиной двойного питания с максимальным коэффициен том энергетической эффективности необходимо, чтобы выполнялись условия: I1 = I2, =/ (или Id =Iq). Добиться равенства Id =Iq можно путем воздействия на вектор напряжения U1 при 1 =/2.

Полагая в уравнениях (10) и * (11) p=0, Id =Iq, 1 =/2 и М* 2, =Ld*·Id*Iq*, находим формулу для ста U1*= тической механической (электроме 1, U1*=0,5 U1*=0,1 ханической) характеристики машины двойного питания при управлении с 1, максимальным коэффициентом энер гетической эффективности:

0, M*=U1 *2 Ld */ [(R* – Lq**/2)2+(R* + Ld**/2)2].

M* При управлении с максималь 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2, ным коэффициентом энергетической I1 * эффективности статические механи 0 0,45 0,63 0,77 0,89 ческие характеристики электродвига Рис. 5. Статические механические (электроме теля при двойном питании (рис.5) ханические) характеристики при управлении с максимальным коэффициентом энергетической аналогичны характеристикам элек тродвигателя постоянного тока с по эффективности следовательной обмоткой возбужде ния. Область возможного управления асинхронным электродвигателем при двойном питании с минимальными потерями находится ниже кривой соответствующей напряжению U1*= (рис.5).

Алгоритм управления машиной двойного питания по критерию быстродействия Управление с постоянным током намагничивания заключается в поддержании посто янства модуля тока Id* = 1/(2L0*) 1/Ld*. Такое значение тока намагничивания Id выбирается исходя из значения тока холостого хода при U1=Uн, 1=н. При постоянстве тока намагни чивания электромагнитный момент в соответствии с формулой (12), будет пропорционален, а в относительных единицах и равен току нагрузки Iq:

М*=Iq*. (13) Для статического режима работы уравнения (10) и (11) в относительных единицах приобретают следующий вид:

Ud* = (R*/Ld * – 1 *Lq *M*);

Uq* = (R*·M* + 1 *).

Первое уравнения характеризует контур намагничивания. Второе уравнение анало гично уравнению якоря машины постоянного тока. Используя второе уравнение можно по строить статическую механическую (электромеханическую) характеристику асинхронного электродвигателя при постоянном токе намагничивания Id*.

Данный алгоритм управления позволяет по * лучить статические механические характеристики 2, (рис.6) полностью аналогичные характеристикам U1*= электродвигателя постоянного тока с независимой 1, обмоткой возбуждения и обеспечивает высокое бы стродействие регулирования электромагнитного U1*=0, момента, существенно превосходящее аналогичное 1, регулирование двигателя постоянного тока.

Третья глава посвящена вопросам энергети 0, M* ческой эффективности процесса передачи энергии в * U1 =0, (Iq*I1*) ГЭУ с машиной двойного питания. Предложен ме тод оценки электромеханических преобразователей 0 0,5 1,0 1, Рис. 6. Статические механиче- и алгоритмов их управления по критерию энергети ские (электромеханические) ха- ческой эффективности. Приводятся количественные рактеристики при управлении с оценки сравнения различных видов электрических максимальным быстродействием машин переменного тока по составляющим потерь энергии.

Потери мощности Р имеют достаточно сложную структуру и в подавляющем большинстве математических моделей учитываются лишь электрические потери в обмотках Рэ.

Показатель энергетической эффективности электромеханического преобразова теля. Так как электромеханический преобразователь предназначен для создания электро магнитного момента М = L0IIIIIsin(), то эффективность его работы удобно оценивать пока зателем энергетической эффективности равным отношению электромагнитного момента к потерям мощности в обмотках:

L I I sin( ) sin( ) M = 0 I 2 II = T0 c Э=, Pэ c+ R1 I I + R2 I II L - основная постоянная времени;

= III/II;

с = R1/R2.

где T0 = R1 R Максимальные значения показателей энергетической эффективности различных ви дов электрических машин позволяют достаточно просто производить их сравнение по крите рию электрических потерь энергии.

Коэффициент энергетической эффективности электромеханического преобразо вателя. Для оценки энергетической эффективности работы электромеханического преобра зователя введен еще один показатель kэ - коэффициент энергетической эффективности элек тромеханического преобразователя определяемый как отношение минимально возможных потерь Pэ опт к фактическим потерям Pэ при создании одного и того же электромагнитного момента:

kэ=Pэ опт/Pэ;

либо kэ=Э/Эопт.

График зависимости коэффициента эффек kэ тивности от отношения токов статора и ротора = III/II при с = R1/R2=1 и sin()=1 приведен на рис.7.

Из рисунка видно, что для работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором с максималь 0, с=1 ной энергетической эффективностью необходимо =/2 выполнение следующих условии: R1=R2;

L1=L2;

III/II L11=L22;

II=III и sin()=1. Данные условия могут 0 1 2 3 быть обеспечены конструкцией электрической ма Рис. 7.Зависимость коэффициента шины, схемой ее соединения и соответствующими энергетической эффективности от алгоритмами управления, рассмотренными в гл.2.

отношения токов статора и ротора Таблица Электрические потери энергии в различных типах машин переменного тока и их сравни тельная оценка Среднеста Зависимость для тистические Максимальное значе определения элек Тип электриче- параметры Показатель энергетиче- ние показателя энерге трических потерь / ской машины машины ской эффективности тической эффективно электромагнитно сти (приведены го момента в о.е.) Реактивный Ldd*=1, электродвига- Lqq*=0,15 Lm Э= sin( 2 ) P = R1i тель R1* =0,04 R1 Lm L1* =0,08 Эmax = = 13, Ld Lq Ldd Lqq R где Lm = = 2 М = Lmi1 sin(2) Ld=Ldd+L1;

Lq=Lqq+L Асинхронный R1*= R2*= электродвига- 0,04;

L1*= P = R1i12 + R2i22 Эmax тель с коротко- L2*= X1*= L0 i1 i2 sin( ) Э= L замкнутым рото- X2*= 0,1;

= =22, R1 i1 + R2 i 2 ром L0*= X0*= 2 2 R1 R М = L0i1i2sin() 2,5;

R0*= 0, Синхронный Ldd* = 1,35;

Эmax = =24, L электродвига- Lqq* = 0,8;

2 R1 R f тель L1* = 0,12;

P = R1i12+ Rf if2 Lm i1 sin( 2 ) + для неявнополюсной Lf* = 0,22;

Э= синхронной машины R1 i1 + R f i f 2 L2d* = 0,1;

имеющей симметрич L2q* = 0,075;

Ldd i f i1 sin( ) ную магнитную систе R1* = 0,030;

му М=Lmi12sin(2)+ R1 i1 + R f i f 2 Rf* = 0,020;

где L0 = (Ld +Lq)/2, Ld = Lddif i1sin() R2d* = 0,04;

L1+Ldd и Lq = L1+Lqq где Lm=(Ld –Lq)/ R2q* = 0, Асинхронный R1*= R2*= L Эmax = =31, P = R1i12 + R2i электродвига- 0,04;

L1*= 2 R1 R тель с фазным L2*= X1*= L0 i1 i2 sin( ) при =/2, Э= ротором X2*= 0,1;

R1 i1 + R2 i 2 i12R1= i22R L0*= X0*= М = L0i1i2sin() 2,5;

R0*= 0, На основе показателей, характеризующих эффективность работы электромеханиче ского преобразователя, в таб.1 приводится сравнение электрических машин переменного то ка по критерию потерь энергии.

Р* Реактивный 0, электродвигатель 0, Синхронный элек тродвигатель Асинхронный элек *=1 тродвигатель с 0,15 короткозамкну тым ротором Асинхронный элек тродвигатель с 0, фазным ротором Реактивный электродвигатель 0, Асинхронный элек тродвигатель с 0, короткозамкну тым ротором *= Синхронный элек тродвигатель Асинхронный элек 0, тродвигатель с фазным ротором 0, M* 0 0,5 1 1, Рис. 8. Семейство зависимостей Р = f(M ) при различных для электрических * * * машин переменного тока На рис.8 приведены семейства зависимости полных потерь от значения электромаг нитного момента при различных значениях частоты вращения для рассматриваемых элек трических машин. Из приведенных зависимостей видно, что меньшие электрические потери на единицу электромагнитного момента у асинхронного электродвигателя с фазным рото ром. Таким образом, по критерию энергетической эффективности асинхронный электродви гатель с фазным ротором является лучшим.

Четвертая глава посвящена моделированию переходных и установившихся процес сов автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания. В данной главе решается задача синтеза системы управления и осуществляется моделирование динамических процессов в автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания в различных режимах работы. Пред ложены рекомендации областей применения электропривода с машиной двойного питания.

Для движения судна в свободной воде используются два технологических режима ра боты автоматизированной ГЭУ: режим экономичного хода и режим полного хода. Основным режимом работы автоматизированной ГЭУ является режим экономичного хода, на скоростях вращения вала гребного электродвигателя от 0 до 60% от номинальной скорости.

* * 2,0 2, Область работы Область работы 1,5 1, ГЭУ в режиме ГЭУ в режиме полного хода полного хода 1,0 1, Область работы Область работы 0,5 0, ГЭУ в режиме ГЭУ в режиме эко экономичного хо- номичного хода M* да I1 * 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0 0,45 0,63 0,77 0,89 а) б) Рис. 9. Статические механические и электромеханические характеристики при работе автоматизированной ГЭУ в режимах экономичного и полного хода Области работы автоматизированной ГЭУ в режиме экономичного хода и в режиме полного хода на механических и электромеха нических характеристиках представлены на рис.9. Переход на технологический режим пол ного хода для ГЭУ с машиной двойного пита ния осуществляется автоматически в том слу чае, когда невозможно осуществить управление ГЭУ в режиме экономичного хода. Для швар товного режима, либо режима требующего бы строй отработки управляющего воздействия, используется режим “форсировки”.

На рис.10 представлены совместные ме Рис. 10. Совместная механическая ха ханические характеристики машины двойного рактеристика машины двойного питания питания ГЭУ и приведенная к валу электродви ГЭУ и движителя (винта) гателя характеристика винта.

Синтез системы управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного пи тания по критерию энергетической эффективности. Моделирование работы ГЭУ в ре жиме экономичного хода Структурная схема системы управления ГЭУ с машиной двойного питания c двумя контурами скорости и алгоритмом управления с максимальным показателем энергетической эффективности приведена на рис.11.

Рис. 11. Структурная схема системы управления автоматизированной ГЭУ с ма шиной двойного питания реализующая алгоритм управления с максимальным показателем энергетической эффективности * з * Id * Iq * M * t, (c) Рис. 12 Временная диаграмма моделирования работы ГЭУ с машиной двойного питания в режиме экономичного хода На рис.12 представлены результаты моделирования работы автоматизированной ГЭУ в режиме экономичного хода. Моделирование осуществляется во временной области, а все остальные параметры задаются в относительных единицах.

Синтез системы управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного пи тания по критерию быстродействия. Моделирование работы ГЭУ в режиме полного хода Структурная схема системы управления автоматизированной ГЭУ с асинхронным электродвигателем при двойном питании c двумя контурами скорости и алгоритмом управ ления обеспечивающем максимальное быстродействие приведена на рис.13.

Рис. 13. Структурная схема системы управления автоматизированной ГЭУ с асинхрон ным электродвигателем при двойном питании c двумя контурами скорости и алгорит мом управления обеспечивающем максимальное быстродействие Представленная система управления позволяет осуществлять управление автоматизи рованной ГЭУ с машиной двойного питания в режиме полного хода с максимальным быст родействием. Управление и динамические характеристики данного режима практически полностью аналогичны режиму “форсировки” рассмотренному далее.

Моделирование технологического режима работы автоматизированной ГЭУ – режима “форсировки” (режима полного хода) На рис.14 представлены результаты моделирования работы автоматизированной ГЭУ в режиме “форсировки” (режиме полного хода). На представленных результатах моделиро вания (рис.12 и рис.14) видно, что процессы, протекающие при работе автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания, обладают желаемым динамическим поведением.

Синтез систем управления ГЭУ осуществлялся методом последовательной коррекции и подчиненного регулирования с настройкой на технический оптимум. Математическое моделирование выполнено в интерактивной среде Simulink.

з* * Id * Iq * M * t, (c) Рис. 14. Временная диаграмма моделирования работы ГЭУ в режиме “форсировки” (режиме полного хода) Информационное обеспечение системы управления Рассматриваются уравнения наблюдателя состояния асинхронного электродвигателя с фазным ротором, позволяющего по результатам наблюдения токов статора и ротора произ водить вычисление токов нагрузки, намагничивания и частоты вращения ротора.

По информации с датчиков токов находятся функции:

c A = (i1A*+ i2A*)/ID*;

c B =(i1B*+ i2B*)/ID*;

c C =(i1C*+ i2C*)/ID*;

s A = (i1A*– i2A*)/IQ*;

s B =(i1B*– i2B*)/IQ*;

s B =(i1C*– i2C*)/IQ*, где ID* = {2/3[(i1A*+ i2A*)2+(i1B*+ i2B*)2+(i1С*+ i2С*)2]}1/2;

IQ* = {2/3[(i1A*– i2A*)2+(i1B*– i2B*)2+(i1С*– i2С*)2]}1/2.

Данные функции являются основой для формирования токов и скорости вращения:

Id*= 1/3[(i1A*+ i2A*)c A +(i1B*+ i2B*)c B + (i1C*+ i2C*)c C ];

Iq*= 1/3[(i1A*– i2A*)s A +(i1B*– i2B*)s B + (i1C*– i2C*)s C ];

* = 21 *= 4/3(c A ps A +c B ps B +c C ps C ).

Эти значения используются в алгоритме управления координатами, который синтези рует управляющие воздействия Ud* и Uq*.

Возможные области применения Автоматизированный электропривод с машиной двойного питания может иметь большое практическое значение в следующих областях техники:

1. Для любых автономных объектов, в которых основными показателями качества выступают энергетическая эффективность и массогабаритные показатели.

2. Для нефтяной и газовой промышленности, позволяя создать безредукторный, ав томатизированный электропривод мощных центробежных компрессоров и насосов.

3. Для тягового электропривода, в котором необходимо быстрое и точное регулиро вание вращающего момента. Высокие динамические характеристики могут быть достигнуты применением алгоритма управления с максимальным быстродействием. Идеально подходит в качестве автоматизированного электропривода железнодорожного подвижного состава, который позволяет получать высокие динамические характеристики в переходных режимах, высокую экономичность при равномерном движении и реализовывать режим электрического торможения, как при осуществлении замедления, так и при стоянке состава.

4. Для модернизации и создания новых энергосберегающих, автоматизированных электроприводов основных механизмов шлюза, особенно для электропривода подъемно опускных ворот.

5. Для привода черпаков земснаряда при работе с постоянной мощностью и высокой энергетической эффективностью с обеспечением высокой перегрузочной способности при низкой частоте вращения.

6. Для привода высокоскоростных центрифуг в ядерной энергетике.

Следует отметить, что при использовании в данном электроприводе в качестве элек трического преобразователя – двухзвенного преобразователя частоты с активным преобразо вателем позволит создать высокоэффективный энергосберегающий частотно-регулируемый автоматизированный электропривод для многих производственных механизмов в различных отраслях промышленного хозяйства.

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации изложены научно обоснованные технические решения, внедрение ко торых вносит существенный вклад в повышение эффективности управления технологиче ским процессом передачи энергии в автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания.

Повышение эффективности управления технологическим процессом передачи энер гии, в силовом канале автоматизированной ГЭУ достигается благодаря выбору рационально го типа электропривода и созданию оптимальных алгоритмов управления.

На основе выполненных в работе исследований получены следующие результаты:

1. Предложена методика оценки алгоритмов управления электромеханическими пре образователями по критерию энергетической эффективности и показано, что существует управление, обеспечивающее максимальное значение показателя энергетической эффектив ности.

2. Выполнен поиск оптимального электромеханического преобразователя на множе стве типов электрических машин, выпускаемых промышленностью. Показано, что асин хронный электродвигатель при оптимальном алгоритме управления обладает наилучшей энергетической эффективностью по сравнению с другими видами электромеханических пре образователями. Доказана возможность получения двойной мощности от асинхронного элек тродвигателя двойного питания при потерях энергии не превышающих номинальные.

3. Предложена математическая модель автоматизированной ГЭУ с машиной двойно го питания и синтезированы алгоритмы оптимального управления, обеспечивающие режимы экономичного и полного хода.

4. Получены уравнения наблюдателей состояния машины двойного питания автома тизированной ГЭУ, позволяющие синтезировать систему управления без датчика частоты вращения.

5. Показано что использование редукторной структуры автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания обладает лучшими массогабаритными и энергетическими пока зателями по сравнению с безредукторной.

6. Получена новая форма математического описания машины двойного питания с отдельным описанием частей индуктора и якоря.

7. Обоснована возможность использования машины двойного питания с оптималь ным управлением не только при проектировании новых и модернизации существующих ус тановок ГЭУ, но и применение в различных областях техники.

IV. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЯХ Научные статьи, опубликованные в изданиях, включенных в Перечень ВАК Ми нобрнауки РФ:

Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф. Алгоритмы управления асинхронным электродвигателем 1.

при двойном питании [Текст]//Электроника и электрооборудование транспорта. – 2008, - №3. – С.32 - 36.

Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф. Оценка энергетической эффективности работы электро 2.

механического преобразователя [Текст]//Электроника и электрооборудование транс порта. – 2009, - №2-3. – С.44 - 46.

Научные статьи в других изданиях:

Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф. Оптимальное управление асинхронным электродвигате 3.

лем с фазным ротором [Текст]//Сб. “Труды V международной (XVI всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007”. - СПб.: СПГПУ, 2007. - С.119 - 122.

Гельвер Ф.А. Активный преобразователь как средство повышения энергетической эф 4.

фективности систем электропривода [Текст]//Труды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2005 г, Т. 1. - СПб.: СПГУВК, - 2005.

- С.100 - 104.

Гельвер Ф.А. Уравнения индуктора и якоря асинхронной машины при питании статора 5.

и ротора от одного преобразователя частоты [Текст]//Труды научно-технической кон ференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2006 г. Т. 1. - СПб.:

СПГУВК, - 2006. - С.166 - 169.

Гельвер Ф.А. Применение активного преобразователя в системах регулируемого элек 6.

тропривода [Текст]//Труды научной конференции студентов и аспирантов - СПб.:

СПГУВК, - 2004. - С.107 - 111.

Гельвер Ф.А. Синхронный режим работы асинхронного электродвигателя с фазным ро 7.

тором [Текст]//Труды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2006 г. Т.1. - СПб.: СПГУВК, - 2006. - С.162 - 166.

Гельвер Ф.А., Ногин Д.А. Т-параметры асинхронного двигателя [Текст]//Труды научно 8.

технической конференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2006 г. Т.

1. - СПб.: СПГУВК, - 2006. - С.170.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.