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


Повышение энергоэффективности асинхронного электропривода методом многокритериальной оптимизации параметров и режимов работы

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА ОЛЬГА АЛЕКСЕЕВНА ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТОДОМ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Сушкин Вячеслав Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Терехов Владимир Михайлович кандидат технических наук, доцент Исаев Андрей Станиславович

Ведущая организация: ООО "Электроспецприбор"

Защита состоится « » декабря 2009 г. в 14.00 час. на заседании диссерта ционного совета Д 212.271.12 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: г. Тула, Пр. Ленина, д. 92, гл. корп., ауд. 005.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский го сударственный университет» Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенный печатью) просим направлять по адресу: 300600, г. Тула, Пр. Ленина, д. 92, Ученому секретарю.

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.271. д.т.н., проф. М.Ю. Елагин ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Актуальность темы. Электропривод, осуществляющий электромеха ническое преобразование энергии, широко используется во всех областях деятельности для обеспечения нужд производства и жилищно коммунального хозяйства, потребляет более 60 % всей вырабатываемой электроэнергии.

Повышение энергетической эффективности может быть достигнуто при использовании регулируемых электроприводов для управления техноло гическими процессами, что в сочетании с возможностями автоматизации может обеспечить оптимальное использование электроэнергии.

"… экономический потенциал энергосбережения в электроприводе практически исчерпан, т.к. отдельные компоненты электропривода достаточ но совершенны. Вместе с тем остается громадный потенциал, основанный на совершенствовании проектирования систем в целом и оптимизации их пара метров."* Среди регулируемых электроприводов доминирующее положение за нимают частотно-регулируемые асинхронные электроприводы, их массовое применение позволяет решать не только технологические задачи, но и про блемы энерго- и ресурсосбережения.

Значения конструктивных, режимных параметров и законов управле ния устанавливают эксплуатационные, энергетические, динамические харак теристики асинхронного электропривода, которые в свою очередь определя ют эффективность функционирования технологического оборудования.

При разработке автоматизированного электропривода необходимо учи тывать такие требования как уменьшение времени переходного процесса, точность и диапазон регулирования, энергетические свойства, которые обыч но характеризуются необходимой мощностью, коэффициентами полезного действия привода, преобразования электрической и механической энергии двигателя, cos и удельным расходом энергии на единицу полезного про дукта.

Таким образом, электрический привод, являясь энергосиловой уста новкой, должен обладать высокими динамическими и энергетическими свой ствами, определяемыми критериями, которые имеют часто противоречивый характер. Эти критерии и их экстремальные значения не могут быть реализо ваны одновременно. Поэтому принимаемое решение должно обеспечивать наилучшее сочетание всех показателей.

Улучшение энергетических показателей возможно осуществить также за счет разработки новых алгоритмов управления, учитывающих оптималь ные конструктивные и режимные параметры электрического привода, полу ченные в результате оптимизации по нескольким критериям.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных методикам оптимального проектирования электрических машин и электроприводов, *Н.Ф. Ильинский, В.В. Москаленко Электропривод: энерго- и ресурсосбережение. С.5.

научная проблема создания электропривода, оптимального по конструкции и режимам работы, остается до конца не решенной.

Поэтому повышение энергоэффективности асинхронного электропри вода методом многокритериальной оптимизации параметров и режимов ра боты актуально и представляет интерес в настоящее время.

Объектом исследования является регулируемый привод переменного тока, в состав которого входит асинхронный электродвигатель с коротко замкнутым ротором.

Цель работы - повышение эффективности работы асинхронного элек тропривода как составной части технологического оборудования путем оп ределения оптимальной совокупности параметров и режимов работы привода и разработка на её основе алгоритма управления, обеспечивающего улучше ние энергетических и динамических показателей.

В соответствии с указанной целью в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. разработана проблемно-ориентированная модель оптимизационного расчета асинхронного электропривода, позволяющая исследовать и оцени вать энергетические и динамические процессы привода;

2. выполнен поиск оптимальной совокупности параметров асинхронно го электропривода "адаптивным методом исследования пространства пара метров" (АМИПП) по энергетическим и динамическим критериям;

3. установлена для асинхронного электродвигателя взаимная связь ме жду суммарными потерями и электромагнитным моментом;



4. определены значения аппроксимирующего полинома управляющего воздействия для частотно-регулируемого электропривода.

Методы исследования. В работе использованы методы дифференци ального и интегрального исчисления, методы теории электрических цепей, методы автоматического управления, математическая теория равномерно распределенных ЛП - последовательностей, языки программирования вы сокого уровня, методы моделирования на ЭВМ с применением современных интегрированных пакетов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов работы подтверждаются корректным использованием математического аппарата, со гласованностью теоретических выводов и данных экспериментальных иссле дований, использованием современных численных методов, а также экспе риментальной проверкой расчетных результатов.

Новизна научных результатов диссертационной работы состоит в ус тановлении закономерностей влияния магнитного поля двигателя на энерге тические и динамические процессы электропривода, разработке и формали зации процедуры поиска оптимальных параметров электропривода, обеспе чивающих повышение эффективности работы привода путем оптимизации и синтеза алгоритма управления. Разработан новый численный метод форми рования оптимального управляющего воздействия для частотно регулируемого электропривода.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- определение оптимальных конструктивных и режимных параметров асинхронного электропривода с учетом критериев, дающих количественные и качественные оценки энергетических и динамических процессов электро привода;

- в многомерном пространстве варьируемых параметров асинхронного электропривода существует с нечеткими границами область, являющаяся отображением гиперповерхности Парето-оптимального множества расчет ных вариантов исследуемого (проектируемого) электропривода;

- адаптивное зондирование пространства варьируемых параметров при вода выделяет множество эффективных расчетных вариантов и позволяет повысить производительность метода исследования пространства парамет ров;

- численный метод решения задачи построения оптимального управле ния на основе аппроксимации полиномом Лагранжа и зондирования точками ЛП - последовательности позволяет уменьшить количество оптимизируе мых параметров и получить приближенное оптимальное программное управ ление электроприводом.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертаци онной работы использованы при выполнении НИР "Разработать способ и систему оптимального группового управления насосными агрегатами с це лью экономии электрической энергии в системах водоснабжения и водоотве дения" № ГШ 72/Д0174-Ц, выполненной в рамках регионального гранта, НИОКР ПТ447 "Оптимизация энергетических потоков систем учета контроля и управления " и П.477 "Разработка методики расчетов параметров энерго сберегающих систем группового управления электроприводами".

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция "Мехатронные сис темы (теория и проектирование)", г. Тула, 2006 г.;

2. Первая международная научно-практическая конференция "Эксплуа тация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта", г. Тула, 2006 г.;

3. 4-ая Всероссийская научно-практическая конференция "Системы управления электротехническими объектами", г. Тула, 2007 г.;

4. V Международная (XVI Всероссийская) конференция по автомати зированному электроприводу, АЭП-2007, г. Санкт-Петербург, 2007 г.;

5. XII Международная конференция "Электромеханика, электротехно логии, электротехнические материалы и компоненты", МКЭЭЭ 2008, г.





Алушта, 2008 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложе ны в 10 статьях, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложе ний. Основная часть содержит 147 с, 49 рисунков, 16 таблиц. Список литера туры из 119 наименований на 12 страницах, 2 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы предмет, цель и задачи исследования, методы исследования, новизна научных резуль татов и их практическая значимость, приведены данные о структуре и объеме диссертации.

В первой главе проведен анализ и выполнено обобщение современно го развития асинхронного частотно-регулируемого электропривода, приведе ны основные предпосылки оптимизации параметров и режимов работы.

Диссертационная работа опирается на достижения отечественной шко лы управления частотно-регулируемыми асинхронными двигателями (Клю чев В.И., Поздеев А.Д., Сандлер А.С., Слежановский О.В., Булгаков А.А., Бродовский В.Н., Шрейнер Р.Т., Фираго Б.И., Ильинский Н.Ф., Браславский И.Я., Остриров В.Н., Козярук А.Е., Копылов И.П.), на современную теорию цифрового управления (Терехов В.М., Осипов О.И., Рассудов Л.Н.) и опыт разработки цифровых систем управления двигателями (Ивоботенко Б.А., Ца ценкин В.К., Балковой А.П., Козаченко В.Ф.) и проблемы энергосбережения в электроприводе (Ключев В.И., Ильинский Н.Ф., Браславский И.Я., Шрей нер Р.Т., Поляков В.Н.).

В главе дана оценка и развитие выбранного ЛП-поиска. Основным пре имуществом данного метода является систематический просмотр многомер ных областей пространства параметров. В качестве расчетных точек в про странстве параметров используются точки равномерно распределенных по следовательностей. Для этих целей были применены так называемые ЛП последовательности (точки Соболя И.М.), которые обладают наи лучшими характеристиками равномерности среди всех известных в настоя щее время равномерно распределенных последовательностей.

АМИПП является продолжением работ, проводимых в Тульском госу дарственном университете Сушкиным В.А. и Мерцаловым А.Н. в области создания программного обеспечения по выбору оптимальных параметров машин и конструкций на основе ЛП последовательности за счет введе ния адаптации процедуры поиска.

Приведена постановка задачи многокритериальной оптимизации пара метров электропривода производственного механизма (ПМ) с учетом огра ничений, необходимых для выполнения технологической задачи:

G ( X ТП ) G ( X M ) G ( X ), X = X M = X ТП, X G X ;

X M G X c, где X = (m, ) - вектор состояния асинхронного двигателя (АД);

X c = (mc, c ) вектор состояния производственного механизма;

X ТП = (mТП, ТП ) - вектор состояния технологического процесса;

G X, G X c - соответственно допусти мые области состояния по X и X c ;

m, - момент и частота вращения асинхронного двигателя;

mc, c - момент сопротивления и частота вращения рабочего органа механизма, приведенные к валу электродвигателя.

Регулирование режимов работы асинхронного электродвигателя обес печивается за счет преобразователя частоты (ПЧ) (рис. 1), выход которого изменяет напряжение U s и частоту напряжения f s при изменении управ ляющего вектора U на входе ПЧ.

Рис. 1. Условие выполнения технологической задачи Для решения поставленной задачи определения оптимального управ ления введем вектор управления U, с помощью которого можно воздейство вать на электропривод U = (u1, u2,…, un ), U G (U ), G (U ) - допустимая об ласть;

где u1, u2,…, un - реальные управляющие воздействия, формируемые за счет изменения конструктивных параметров привода и механизма, либо за счет изменения управляющих параметров, действующих на регулируемый привод.

Математическая модель асинхронного электропривода в работе пред ставлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений x = f ( x, u ), (1) T T где x = [ x1… xn ] - вектор состояния системы, u = [u1…uk ] - вектор управ ления, x n, u G k, k n, G - ограниченное множество.

Задано начальное состояние объекта управления 0T x (0) = x1 … xn.

(2) Заданы функционалы, определяющие критерии качества управления tk ( ) J i = Gi x (t f ) + Fi (x (t ), u (t )) dt, i = 1, M, (3) где tk - длительность процесса управления.

Необходимо оптимизировать (синтезировать) систему в виде u = g ( x, q ), (4) T где g () - искомая структура управления, q = [ q1… qR ] - вектор параметров системы управления, q Q R, Q - ограниченное множество.

В первой главе дан обзор состояния работ по оптимизации электропри вода, даны постановка задачи оптимизации параметров и постановка задачи определения оптимального управления асинхронного электропривода.

Во второй главе разработана математическая модель оптимизацион ного расчета асинхронного электропривода, обеспечивающая вычисление необходимого количества критериев. Основные блоки математической моде ли оптимизационного расчета представлены на рис.2.

Рис. 2. Структурная схема модели процесса оптимизации асинхронного электропривода В основу разработки модели оптимизационного расчета положены ком плексно-векторные уравнения обобщенной электрической машины во вра щающейся системе координат.

d d us = is Rs + s + jk s, ur = ir Rr + r + jk r, dt dt s = Ls is + Lm ir ;

r = Lr ir + Lm is ;

us = usu + jusv ;

ur = uru + jurv ;

is = isu + jisv ;

ir = iru + jirv ;

s = su + jsv ;

r = ru + jrv ;

где us - напряжение статора, Rs, Rr - сопротивление статора и ротора, is, ir ток статора, ротора, s, r, m - потокосцепления статора, ротора и взаимо индукции.

Перечисленные величины векторов токов и потоков при соответст вующем изменении модуля, модуля и аргумента вектора, проекций вектора на оси, использованы в модели оптимизационного расчета при формирова нии структур системы управления асинхронным электроприводом.

В зависимости от расчета принимается одно из уравнений электромаг нитного момента, выраженного через пространственные векторы в ком плексно-векторной форме:

( ) ( ) ( ) M = pп Lm Im is ir ;

M = pп Lm Im is r ;

M = pп Lm Im ir s.

Разработана обобщенная математическая модель электропривода (рис.

3), учитывающая энергетические и динамические процессы в нем. Блок схема модели оптимизационного расчета электропривода имеет модульную структуру (блоки 1-7), позволяющую решать задачи различного класса.

Блоки 1-5 построены по аналогии с предложенной Шрейнером Р.Т.

структурой. Такая модель дает полное представление о процессах, проте кающих в машине при произвольном характере изменения внешних воздей ствий.* *Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприво дами Изд. Штиинца, 1982, с. 58.

1 – блок преобразования внешних воздействий;

2 – блок для решения урав нений электромагнитных контуров;

3 – блок обратного преоб разования координат;

4 – блок решения уравне ний электромеханического преобразования энергии;

5 – блок решения уравне ний механической части привода;

6 – блок вычисляет крите рии, принятые при оптими зации асинхронного элек Рис. 3. Блок-схема математической модели оп- тропривода;

7 – блок формирования тимизационного расчета варьируемых параметров Для обоснования адекватности математической модели были проведе ны исследования прямого пуска двигателя 4А100L4Y3 в лабораторных усло виях. Лабораторный стенд состоит из асинхронного двигателя 4А100L4Y3, инвертора OMRON 3G3FV, измерительной аппаратуры (цифрового осцилло графа GDS 2204, Power Quality Analyzer Fluke 434, цифрового тахометра КМ 6003, датчиков напряжения, токов фирмы LEM). Оценка переходных процес сов по интегрированным энергетическим показателям модели и измеритель ным приборам подтвердили полученные теоретические результаты. Ошибка не превышает 11,5 %. Результаты моделирования прямого пуска двигателя приведены на рис. 4 и рис. 5.

Рис. 5. Пусковые токи Рис. 4. Пуск АД при M ном 0 = f (U з,, i1) U1 = f (0 ) U1 Ms i M J1 J C M 1 M12 d d dM = C12 (1 2 ) = M M12 ;

J 2 = M12 M s ;

J dt dt dt Рис. 6. Схема двухмассовой системы Рис. 7. Расчетная схема вибраци онного грохота Для исследования влияния параметров и режимов работы на эффектив ность работы асинхронного электропривода в диссертационной работе рас смотрены вопросы подбора двигателя для данного оборудования за счет варьирования момента инерции, подбора скольжения, активных сопротивле ний, что в итоге определяет типоразмер двигателя и выполнение условия G( X c ) G( X ).

Вопросы выбора оптимальных конструктивных параметров осуществ ляются при выполнении условия X = X c.

Исследование взаимодействия электродвигателя с механической ча стью привода рассмотрено на примере динамической системы вибрационно го грохота ГИСЛ62, расчетная схема которого приведена на рис. 6-7, где m масса дебалансов;

m1 - масса пластины;

m2 - масса груза;

- угол наклона пластины;

1, 2 - угол отклонения дебалансов;

a1, b1, a2, b2 - координаты со ответственно первого и второго вибровозбудителей;

r1, r2 - эксцентриситеты дебалансов;

c, c0 - жесткости пружин;

l - расстояние между центром пласти ны и пружиной.

Таким образом, во второй главе разработаны модели оптимизационно го расчета одно - и двухмассовой системы ЭП, привода вибрационного гро хота и привода центробежного насосного агрегата. Определены возможные варьируемые параметры и диапазон их изменения.

В третьей главе выполнены исследования многокритериальной опти мизации процессов асинхронного электропривода в диалоговой системе АМИПП, которая используется как инструментальное средство, обеспечи вающее решение задачи оптимизации при варьировании параметров до 51, критериев оптимизации до 20 и возможного числа испытаний (количество расчетных вариантов) до 10000.

На рис. 2 приведена структура модели решения задачи оптимизации асинхронного электропривода, включающая блок формирования варьируе мых параметров, модель асинхронного электропривода и блок вычисления критериальных оценок. Вычисление критериев осуществляется под управле нием диалоговой системы АМИПП. Система обладает по сравнению с ЛП поиском адаптивной настройкой на поиск оптимальной области. Алгоритм формирования расчетных вариантов и эффективного множества приведен на рис. 8 - 9.

Рис. 8. Алгоритм формиро- Рис. 9. Формирование эффективного множест вания расчетных вариантов ва расчетных вариантов Для оценки эффективности работы электропривода в диссертационной T ( ) работе рассматриваются следующие критерии: F1 = U s I s + U s I s dt, Дж, min - энергия, поступающая из сети к обмоткам двигателя;

T T F2 = Pмех ( t ) dt = M ( t ) ( t ) dt, Дж max - энергия, затрачиваемая на со 0 2Wm вершение полезной работы двигателя;

F3 = TWm =, c, min ( ) U s I s + U s I s M (t ) (t ) постоянная преобразования магнитной энергии;

F4 =, о.е., M ( t ) ( t ) + P M max - энергетический КПД;

F5 = H э =, о.е., max - кри M 0 + M ( 0 ) терий, оценивающий электрическое преобразование энергии;

M F6 = H м =, о.е., max - критерий, оценивающий механи M + M ( 0 ) W (S ) ческое преобразование энергии;

F7 =, Дж рад, min - удельный рас ход энергии;

F8 = Wm = ( I s s + I r r ), Нм, min - критерий, учитывающий T ( ) энергию магнитной системы;

F9 = I s2 Rs + I r2 Rr n dt, Дж, min - энергия на T компенсацию активных потерь;

F10 = ( M ( ) M st ( )) dt, Hм, min - бли зость механических характеристик.

При варьировании напряжения на зажимах двигателя с постоянными моментом сопротивления и инерции получены таблицы испытаний для кри териев F1 F10. Парные полиноминальные регрессионные зависимости для критериев F1, F4, F6 и F7 от энергии магнитного поля Wm (рис. 10-13):

2 F1 = 333045 312854Wm + 99122Wm 10398,7Wm ;

2 F4 = 8,71 + 10,42Wm 3,78Wm + 0,46Wm ;

2 F6 = 16,53 + 15,79Wm 4,85Wm + 0,49Wm ;

2 F7 = 225,99 216,72Wm + 69,55Wm 7,42Wm.

Рис. 10. Зависимость КПД от энергии Рис. 11. Зависимость удельных дей магнитного поля ствий от энергии магнитного поля Рис. 12. Зависимость энергии из сети Рис. 13. Зависимость H m от энер от энергии магнитного поля гии магнитного поля Сформированное множество расчетных вариантов асинхронного элек тропривода можно охарактеризовать коэффициентом совершенства привода в целом kc, коэффициентом совершенства критерия kcFv и мерой достиже ния предельного состояния mcFv.

Оценка состояния электромеханического преобразователя (ЭМП) ана лизируется с помощью векторной диаграммы, рис. 14, где представлены сле дующие пространственные вектора: напряжение us, токи статора, ротора и намагничивания is, ir и im, потокосцепления статора, ротора и взаимоиндук ции s, r и m.

Рис.14. Векторная диаграмма состояния ЭМП Опорный вектор V (us, is, ir, im, m, s, r ) определяет структуру по строения оптимальной системы управления электропривода. Взаимное пози ционирование составляющих вектора V связано с преобразованием энергии, получаемой из сети, в механическую по известным законам.

Уравнение баланса энергии: We = Wm + Wep + Wmeh + Wdp, где We - энергия, подводимая к двигателю из сети;

Wm - магнитная энергия, запасенная в магнитном поле;

Wep - энергия на компенсацию электрических потерь;

Wmeh - механическая энергия на валу двигателя;

Wdp - энергия ос тальных потерь.

Процессы электромеханического преобразования носят инерционный характер. В установившихся режимах энергия, полученная от источника пи тания за любой временной интервал, равна энергии, переданной сопряжен ному механизму, и энергии, затрачиваемой на работу.

При этом энергия We остается постоянной, а ее значение определяется в виде суммы энергий возбуждающих контуров электрической машины.

Потокосцепления и токи являются функцией времени и угла поворота ротора. Вместе с тем энергия, накапливаемая в магнитной системе АД, не за висит от угла поворота ротора.

Скалярное произведение векторов зависит от угла между изображаю щими векторами, но не связано с углом поворота ротора. Поэтому, несмотря на зависимость всех компонентов от вращения вала ротора, энергия We не зависит от его положения. Для управления электромагнитным моментом не обходимо регулировать токи или напряжения, изменяя энергию, подводимую к обмоткам двигателя.

Установлена взаимная связь между суммарными потерями и электро магнитным моментом, которая формирует алгоритм управления:

2 Rs cos Rr sino.

Hp = + ( ) ( ) M p p ( L cos + L sin ) sin ' ' 1 o ( Lr sino + Lmcos )cos s m o o ' X2 ' ' ' где = arctg ( 1 = arc sin(sy / s ) ;

2 1 ;

S) ;

R Lr m + L2 L r is 2 2M m cos 0 = sin 0 = ;

.

Lm ( Lm + 2 Lr ) m is 3 pp m is При оптимизации конструктивных параметров грохота было достигну то снижение амплитуды колебаний момента на валу электродвигателя на %, уменьшение температуры нагрева и увеличение срока службы двигателя.

Критерии момент, неравномер- частота, неравномер- амплиту с- ность m ность Нм да, мм Базовый 216,3 132,7 101,0 38,26 3, вариант Модель 2 194,1 54,75 102,3 17,89 6, Улучшение 10,3% 58,7% 1,2% 53,2% требова ние ТЗ В третьей главе рассмотрены вопросы оптимизации параметров с при менением АМИПП и установлены основные закономерности векторных взаимодействий и преобразования энергии в асинхронном двигателе.

В четвертой главе рассмотрены теоретические вопросы, связанные с оптимизацией процессов управления асинхронного электропривода.

В главе решается задача определения оптимального управляющего воз действия пуска асинхронного двигателя.

Синтез структуры управления представляет собой создание алгоритма для вычислительного устройства с учетом динамических и энергетических процессов привода.

С этой целью для задачи (1)-(3) найдем решение (4) с помощью огра ниченного управления u* u u * *.

Управление ищется как функция координат пространства состояния u = ( x, q ) где (x,q) – искомое математическое выражение, представляющее собой од нозначное непрерывное отображение, q – вектор искомых параметров.

Управляющие точки ( qi, ti ) равномерно распределены на интервале [t0, tk ], где t0 и tk – начальная и конечная границы интервала соответствен но. Для того чтобы равномерно распределить управляющие точки по интере сующему нас интервалу, положим ti = t0 + i (tk t0 ) / N.

Для каждого набора управляю щих точек строится кривая, опреде ленная коэффициентами полинома Лагранжа y (t ).

По кривой y (t ) определяем за кон управления u*, если y (t ) u * u (t ) = u **, если y (t ) u **, y (t ), иначе Рис. 15. Формирование значений коэффициентов полиномов для где u ** и u * – верхняя и нижняя U m (q11,…, qkk ), 0 s (q21,…, qkk ) и tkk граница управления соответственно.

Закон управления, соответствующий оптимальным значениям парамет T ров q = [ q1… q N ], определяет вид функции управления y (t ) в соответствии с критериями F1 F10.

T Для поиска оптимальных значений параметров q = [ q1… q N ] исполь зуются точки ЛП - последовательности.

Рис. 15. Графики оптимальных Рис. 16. График отношения напряжения и частоты напряжения к частоте В главе представлены результаты исследований оптимизации режимов работы асинхронного электропривода при разработке системы управления привода насосного агрегата.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных ис следований разработаны алгоритмы управления асинхронного двигателя на сосного агрегата и группового управления насосными агрегатами первого и второго подъема от одного частотного преобразователя.

Рис.18. Изменение частоты вращения Рис.19. Характер изменения давления в сети Режимы работы насосных агрегатов, а, следовательно, и каждого дви гателя, определены на основе выполненной оптимизации в зависимости от необходимого расхода. Общее управление осуществляется микропроцессо ром. Режим работы насосного агрегата предусматривал автоматический пуск по предложенному алгоритму для напряжения U m и угловой скорости 0s до выхода на заданный режим работы, графики приведены на рис. 18-19.

Экономический эффект от применения результатов исследования опре деляется уменьшением затрат на пуск, регулирование и поддержание режима работы.

В таблице представлен результат внедрения оптимального автоматиче ского управления насосными агрегатами (НА) 1-го и 2-го подъема ВЗС "Пет ровский".

Вариант Насосные Потребляемая управления агрегаты электроэнергия Примечание за сутки, кВт ч/сутки Ручное Скважина 1 1800 По данным управление журнала ВЗС Скважина 2 оператором "Петровский" НА 1 НА 2 Итого: Скважина 1 230 Частотный преобразователь Автоматическое Скважина 2 подключен к насосным аг управление регатам: скважина1 и НА 1 подъема.

НА 2 Управление микроконтрол Итого: лером Эффективность: 2144 38,1% В четвертой главе представлена методика синтеза оптимального управ ляющего воздействия и представлены результаты оптимизации режимов ра боты системы водоснабжения водозабора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате теоретических и экспериментальных исследований реше на актуальная задача повышения энергоэффективности асинхронного элек тропривода методом многокритериальной оптимизации параметров и режи мов работы, позволяющая определить оптимальную совокупность парамет ров электропривода и алгоритм эффективного управления. Реализация по ставленной задачи позволяет снизить нагруженность элементов привода, удельный расход энергии, повысить КПД, кратность момента и быстродейст вие.

По результатам исследования в работе сделаны следующие выводы:

1. Разработана проблемно-ориентированная модель оптимизационного расчета асинхронного электропривода, формирующая за счет изменения варьируемых параметров множество расчетных вариантов привода с учетом энергетических и динамических критериев.

Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследова ний показало, что предложенная методика позволяет рассчитывать статиче ские и динамические режимы работы электропривода с погрешностью 5-14% 2. Определены оптимальные конструктивные и режимные параметры асинхронного электропривода с учетом критериев, дающих количественные и качественные оценки энергетических и динамических процессов электро привода.

Оптимальные конструктивные параметры асинхронного электропривода вибрационного грохота уменьшают амплитуду момента на 10,3%, неравно мерность момента на 58,7%, частоты вращения на 53,2%. Оптимальные па раметры позволили получить заданную амплитуду колебания сита.

3. В многомерном пространстве варьируемых параметров асинхронно го электропривода существует с нечеткими границами область, являющаяся отображением гиперповерхности Парето-оптимального множества расчет ных вариантов исследуемого (проектируемого) электропривода.

4. Установлено, что адаптивное зондирование пространства варьируе мых параметров привода выделяет множество эффективных расчетных вари антов и повышает производительность метода исследования пространства параметров.

Расчетная модель электропривода содержит сложные функциональные ограничения, поэтому предложенный алгоритм распознавания эффективного множества увеличивает до 60% производительность поиска оптимальных расчетных вариантов асинхронного электропривода путем исключения не эффективных точек.

5. Разработанный численный метод решения задачи построения опти мального управления на основе аппроксимации полиномом Лагранжа и зон дирования точками ЛП - последовательности, позволяет уменьшить количе ство оптимизируемых параметров и получить приближенное оптимальное программное управление электроприводом.

Оптимальное управление осуществляется изменением мгновенного значения задающего напряжения и частоты, аппроксимированными коэффи циентами полинома. Эффективность определяется приближением динамиче ской механической характеристики к статической на 17,5%, увеличением КПД на 3,2%, уменьшением потерь на 11,2%.

6. Определены функции энергетического состояния, которые устанав ливают зависимость между механическими силами, потерями и энергией магнитного поля с помощью аргументов, определяющих алгоритм управле ния. Учет величины энергии магнитного поля асинхронного двигателя по зволяет изменять значения основных критериев.

7. Предельно допустимый вариант расчета, определенный на эффек тивном множестве расчетных вариантов, устанавливает, что уровень совер шенства асинхронного электропривода может быть улучшен с 0,4 до 0,5 за счет применения оптимальной совокупности варьируемых параметров.

8. Установлена зависимость энергетических затрат и динамических свойств асинхронного короткозамкнутого двигателя от положения вектора тока статора относительно вектора потокосцепления ротора.

9. Применение частотного преобразователя с оптимальным алгоритмом управления для электропривода насосных агрегатов первого и второго подъ ема "Петровского" водозабора снизило расход электрической энергии на 11,9% (765 кВт-ч/сутки).

10. Применение автоматизированной системы группового управления электропривода насосных агрегатов первого и второго подъема "Петровско го" водозабора на основе одного частотного преобразователя с разработан ным оптимальным алгоритмом управления снизило расход электрической энергии на 38,1 % (2144 кВт-ч/сутки).

Основные положения диссертационной работы отражены в следую щих публикациях:

1. Кузнецова О. А. Модель асинхронной машины для оптимизаци онных исследований частотно-регулируемого электропривода / О. А.

Кузнецова // Изв. ТулГУ. Сер. Электроснабжение, электрооборудование и энергосбережение. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. – С. 99-103.

2. Кузнецова О. А. Система автоматического управления частотно регулируемого электропривода на основе методов нечеткой логики / О.

А. Кузнецова, В. А. Сушкин // Изв. ТулГУ. Сер. Электроснабжение, элек трооборудование и энергосбережение. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. – С. 103-107.

3. Сушкин В. А. Оптимизационная модель электромеханического преобразователя энергии / В. А. Сушкин, О. А. Кузнецова // Изв. ТулГУ.

Сер. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 3. Системы управления. Том 2.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2006- С. 198-202.

4. Сушкин В. А. Энергетические показатели асинхронного элек тропривода при различных способах управления / В. А. Сушкин, О. А.

Кузнецова // Изв. ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Информацион ные технологии. Системы управления. Вып. 3. Системы управления.

Том.2.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. – С. 202-206.

5. Кузнецова О. А. Многокритериальная оптимизация сложных элек тромеханических систем / О.А. Кузнецова / Системы управления электротех ническими объектами. Вып. 4. Сб. научных трудов четвертой Всероссийской научно-практической конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С.174-176.

6. Кузнецова О. А. Многокритериальная оптимизация электропривода с учетом динамических и энергетических показателей / О.А. Кузнецова, В.А.

Сушкин / Труды V международной (XVI Всероссийской) научной конферен ции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007»: 18-21 сентября 2007 г. – Санкт-Петербург, 2007. – С. 139-141.

7. Кузнецова О. А. Оценка энергетических показателей электропривода адаптивным методом исследования пространства параметров / О. А. Кузне цова / Труды XII Международной конференции "Электромеханика, электро технологии, электрические материалы и компоненты" МКЭЭЭ-2008. Инсти тут электротехники МЭИ (ТУ), Москва, 2008. – С. 212.

8. Кузнецова О. А. Адаптация процесса поиска эффективного множест ва расчетных вариантов электромеханических систем / О. А. Кузнецова, В. А.

Сушкин / Труды XII Международной конференции "Электромеханика, элек тротехнологии, электрические материалы и компоненты" МКЭЭЭ-2008: Ин ститут электротехники МЭИ (ТУ), Москва, 2008. – С. 213.

9. Степанов В.М. Математическая формулировка и решение зада чи управления насосными агрегатами 1-го и 2-го подъема с аккумули рующими емкостями / Степанов В.М., Горелов Ю.И., Кузнецова О.А., Сушкин В.А., Плеханов О.В. // Изв. ТулГУ. Сер. Электроснабжение, электрооборудование и энергосбережение. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. – С. 233-243.

10. Степанов В.М. Обоснование оптимальных параметров системы управления / Степанов В.М., Горелов Ю.И., Кузнецова О.А., Сушкин В.А., Плеханов О.В. // Изв. ТулГУ. Сер. Электроснабжение, электрообо рудование и энергосбережение. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. – С.

243-245.

Личный вклад автора.

Все основные положения диссертации разработаны автором лично.

В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в [2] – методика расчета с нечетким регулятором, в [3, 4] – показатели и методика вычислений, в [6, 8, 9, 10] – показатели, методика вычислений и алгоритм формирования оптимального множества.

Кузнецова Ольга Алексеевна ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТОДОМ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 19.11.2009.

Формат бумаги 60*84 1/16. Бумага офсетная.

Усл.печ.л. Уч.-изд. л. 1, Тираж 100 экз. Заказ №.

ГОУ ВПО Тульский государственный университет 300600, г. Тула, просп. Ленина, Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, просп. Ленина,

 

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.