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

Pages:   || 2 |

Энергоэффективные режимы регулируемых электроприводов (концепция, задачи оптимизации, математические модели и алгоритмы управления)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПОЛЯКОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ РЕЖИМЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ (концепция, задачи оптимизации, математические модели и алгоритмы управления) Специальность 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург – 2009

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.

Ельцина» (г. Екатеринбург)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шрейнер Рудольф Теодорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Карякин Александр Левиевич доктор технических наук, профессор Сарваров Анвар Сабулханович доктор технических наук, профессор Усынин Юрий Семенович Ведущее предприятие: ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) Уралэлектротяжмаш», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 16 декабря 2009 г. в 14 час. 15 мин. в аудитории Э-406 на заседании диссертационного совета Д 212.285. Уральского государственного технического университета – УПИ по адресу:

620002. г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета – УПИ.

Автореферат разослан « » _2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.М. Зюзев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вопросы энергоэффективности являются приоритетными практически для всех стран мира. Для России они особенно актуальны, поскольку структура ее экономики характеризуется высокой долей энергоемких производств. В этой связи в нашей стране принят ряд законодательных актов, направленных на повышение эффективности использования энергетических ресурсов.

Важную роль в деятельности современного общества – от сферы промышленного производства до сферы быта играет электромеханическое преобразование энергии, осуществляемое электроприводом. Известно, что электропривод является крупнейшим потребителем электрической энергии.

На него приходится более 65% вырабатываемой электроэнергии.

Регулируемые электроприводы составляют сегодня около 10 %. Основная тенденция в мировой практике – переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому там, где традиционно применялся нерегулируемый электропривод. Специалисты считают, что регулируемый электропривод необходим в 50% всех случаев использования электропривода. Отсюда следует актуальность задачи повышения энергетической эффективности регулируемого электропривода.

В процессе исторического развития регулируемый электропривод достиг высокого совершенства. Он позволяет формировать необходимые механические характеристики и переходные процессы, удовлетворяющие самым разнообразным технологическим задачам. Однако в настоящее время все большую актуальность приобретают вопросы энергетики, включающие повышение коэффициента полезного действия, регулирование реактивной мощности, обеспечение электромагнитной совместимости с нагрузкой и сетью. Эти вопросы также решаются благодаря успехам в области электромашиностроения и полупроводниковой техники. Тем не менее, анализ проблемы показывает, что как в традиционных, так и в современных электроприводах существуют пока еще недоиспользованные резервы повышения энергетической эффективности электромеханического преобразования энергии. Это связано с тем, что по ряду практических соображений в них реализуются в большинстве случаев режимы работы двигателей с постоянством магнитного потока. Регулирование потока используется главным образом в двухзонных системах, т. е. в функции скорости. Наиболее полно возможности повышения эффективности электромеханического преобразования энергии можно обеспечить путем оптимизации режимов работы двигателей при регулировании потока как в функции скорости, так и электромагнитного момента. Разумеется, при этом следует сохранять электромеханические статические и динамические характеристики электропривода, необходимые для решения основной технологической задачи. По нашему мнению, задачу оптимизации электропривода следует рассматривать как наилучшее решение технологической задачи. При такой постановке возникает ряд проблем, таких как разработка концепции, задач оптимизации, математических моделей, алгоритмов управления, реализующих энергоэффективные режимы регулируемых электроприводов. Решению этих проблем посвящена диссертационная работа.

Диссертация выполнялась в рамках научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по приоритетному направлению науки и техники: Топливо и энергетика.

Объект исследования – регулируемые электроприводы с различными типами двигателей и полупроводниковых преобразователей.

Предмет исследования – режимы работы регулируемых электроприводов, отвечающие критерию энергетической эффективности.

Методологической основой диссертационной работы служат исследования, выполненные профессорами А.М. Вейнгером и Р.Т.

Шрейнером в области оптимизации режимов синхронных и асинхронных двигателей соответственно.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является теоретическое обобщение и развитие научного направления по формированию энергетически эффективных режимов регулируемых электроприводов.





Этой целью определяются следующие основные задачи исследования.

1. Разработка концепции, определяющей ключевые положения научного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов.

2. Формирование требований к отбору и создание базы универсальных математических моделей силовой части электропривода для использования их в качестве отправных моделей при решении задач оптимизации, исследовании статики и динамики, синтезе структур САУ и алгоритмов управления энергоэффективными электроприводами.

3. Формулировка обобщенной постановки задачи оптимизации регулируемых электроприводов как наилучшего (в энергетическом смысле) решения технологической задачи. Анализ ее особенностей и выбор метода решения.

4. Разработка проблемно-ориентированных моделей двигателей и преобразователей в целях упрощения решения задач оптимизации, изучения и сравнительного анализа свойств электроприводов с позиций энергетической эффективности электромеханического преобразования.

5. Трансформация обобщенной постановки задачи оптимизации на основе проблемно-ориентированных моделей, анализ особенностей ее решения численными методами. Постановка и решение задач оптимизации основных типов двигателей.

6. Разработка метода оценки и проведение сравнительного анализа энергетической эффективности режимов управления электроприводами на основе критерия эффективности;

7. Разработка прикладных аспектов теории энергоэффективных регулируемых электроприводов. Выбор принципов реализации энергоэффективных режимов и рациональных структур оптимизированных систем управления электроприводов. Математическое моделирование динамических и энергетических процессов электроприводов с энергоэффективными режимами управления.

8. Экспериментальное исследование энергоэффективных режимов асинхронных двигателей и оптимизированных регулируемых асинхронных электроприводов.

Методы исследования. В работе использовались методы теоретического и экспериментального исследования. В теоретическом исследовании применялись методы теории электрических машин, теории электропривода и полупроводниковых преобразователей, теории систем управления, теории экстремального управления, теории эффективности и методы математического моделирования на цифровых вычислительных машинах.

Метод экспериментального исследования использовался для получения исходных данных, проверки и уточнения результатов теоретического анализа, а также оценки эффективности оптимизированных регулируемых электроприводов. Экспериментальные исследования проводились на математических моделях и лабораторных стендах.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных результатов определяется корректностью постановок задач, обоснованностью принятых допущений, использованием апробированных математических и численных методов, а также экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов при достаточном для инженерной практики совпадении результатов аналитического анализа, компьютерного моделирования и физического эксперимента.

Научные результаты и новизна работы заключаются в следующем.

1. На основе анализа существующей теории оптимизации режимов различных типов электроприводов разработана концепция комплексного исследования энергетической эффективности регулируемых электроприводов, ключевыми положениями которой являются: 1) задача оптимизации электроприводов рассматривается как наилучшее (в энергетическом смысле) решение технологической задачи при ограниченных ресурсах силовой части;

2) определяющими факторами эффективности электропривода как электромеханического преобразователя энергии полагаются тип двигателя, способ регулирования скорости (положения) и режим управления магнитным потоком при соблюдении условий технологической задачи;

3) для комплексного анализа этих факторов создается база универсальных моделей различных типов двигателей и преобразователей, построенных на основе единства подхода, уровня допущений и математического аппарата описания;

4) упрощение решения задач оптимизации достигается переходом от универсальных к специально разработанным проблемно-ориентированным моделям силовой части электропривода;

5) реализация режима управления электроприводом производится на основе критерия энергетической эффективности.

Реализация данной концепции позволяет получить более полные знания о резервах управления электромеханическим преобразованием энергии с целью повышения энергетической эффективности регулируемых электроприводов, расширяет представление об энергоэффективных режимах регулируемых электроприводов – свойствах, энергетическом эффекте, рациональных способах практической реализации и областях их использования.

2. Для реализации концепции дано теоретическое обоснование подхода к описанию моделей силовой части электропривода, отвечающих требованиям достоверности решения задач оптимизации статических и динамических режимов. На основе этого подхода создана база универсальных моделей двигателей и преобразователей. Для исследований отобраны модели обобщенной машины переменного тока, асинхронизированного синхронного двигателя, асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, неявнополюсных и явнополюсных синхронных двигателей с продольно поперечным и поперечным электромагнитным возбуждением. Разработаны модели компенсированных и некомпенсированных вентильных и коллекторных двигателей постоянного тока. Разработаны алгоритмы решения уравнений связи нелинейных электромагнитных контуров методом локальных характеристик намагничивания. С учетом требований к преобразователям разработаны модели основных типов двухзвенных преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения (тока).

База универсальных моделей создана на основе единого подхода к выбору метода построения, математического аппарата и уровня допущений, что позволяет сопоставлять возможности разных типов двигателей в отношении управления энергетическими процессами.

3. Разработана обобщенная постановка задачи комплексной оптимизации электроприводов, для которых превалирующими являются статические режимы работы. В ней учитываются два практически важных аспекта – выявление максимально достижимых границ рабочей области функционирования электропривода в координатах «момент–скорость» при соблюдении ограничений на ресурсы силовой части и постановка задачи оптимизации режимов электропривода внутри рабочей области по энергетическому критерию. В рамках обобщенной постановки задачи комплексной оптимизации выявлены ее особенности и требования к моделям силовой части как объектов оптимизации, а также создана классификация моделей двигателей по числу степеней свободы и размерности варьируемого вектора управлений.

4. Для решения задач оптимизации обоснована целесообразность перехода от универсальных к проблемно-ориентированным моделям силовой части электропривода. Разработан принцип построения проблемно ориентированных моделей, упрощающий учет технологической задачи и упорядоченный полный перебор возможных режимов работы электропривода при минимальном числе свободно варьируемых управляющих воздействий.

Согласно предложенному принципу проблемно-ориентированная модель представляется в виде совокупности электромеханической и энергетической моделей с преобразованным вектором управляющих воздействий.

Использование этого принципа позволяет получить ряд существенных преимуществ: 1) процессы построения электромеханической и энергетической моделей становятся независимыми друг от друга и менее трудоемкими;

2) снимаются ограничения на сложность энергетической модели;

3) систематизируется процесс формирования состава внешних воздействий модели;

4) раскрывается значение ориентации системы координат при разработке модели двигателя как объекта оптимизации;

5) сохраняется возможность использования изображающих векторов (векторных диаграмм) при геометрической интерпретации оптимальных режимов насыщенных двигателей и др. На базе этого принципа создана классификация проблемно-ориентированных моделей двигателей по сочетанию независимых внешних воздействий и характеру решения задач оптимизации. Разработаны проблемно-ориентированные модели основных типов двигателей, для каждого из которых обоснован состав вектора варьируемых управлений.

Выявлены свойства экстремальных характеристик двигателей, необходимые для выбора методов решения задач оптимизации.

5. По результатам проведенных исследований функций качества установлены общие свойства двигателей как объектов экстремального управления, позволившие трансформировать обобщенную постановку комплексной оптимизации на основе проблемно-ориентированных моделей силовой части. Разработана общая постановка задачи оптимизации на основе проблемно-ориентированных моделей, отличающаяся учетом технологической задачи и ограничений.

Разработаны постановки и проанализированы решения типичных задач оптимизации режимов двигателей: 1) безусловной оптимизации по минимуму потерь (тока);

2) по минимуму потерь (тока) при постоянстве потока;

3) по минимуму потерь (тока) при постоянстве потребляемой реактивной мощности;

4) по минимуму потерь (тока) при постоянстве потока и потребляемой реактивной мощности;

5) по максимуму момента при ограничении напряжения и тока преобразователя;

6) комплексной оптимизации. Для этих задач обоснованы функции качества. Выявлен характер поведения функций качества по отдельным направлениям допустимого пространства управлений и в целом их поверхностей. В результате решения типичных задач раскрыты свойства законов оптимального управления основными типами двигателей, что дало возможность установить общую картину и предпосылки их реализации в современных регулируемых электроприводах.

6. Разработан метод оценки энергетической эффективности режимов управления электроприводами с использованием теории эффективности. С помощью этого метода выявлена степень энергетического эффекта, получаемого в результате оптимизации режимов основных типов двигателей по различным критериям качества. Выявлена роль преобразователей и возможность влияния через законы управления двигателями на энергетические показатели качества и габаритную мощность преобразователей. Уставлены условия, при которых габаритная мощность преобразователей будет минимальна.

7. В прикладном аспекте теории энергоэффективных регулируемых электроприводов обоснована целесообразность использования структур САУ с подчиненным регулированием координат для реализации энергоэффективных режимов управления с введением в их состав оптимизатора режимов. Разработаны структуры и алгоритмы оптимизаторов режимов для векторных и скалярных САУ электроприводов с возможностью введения в реальном времени коррекции энергоэффективных режимов управления при параметрических возмущениях и решения задачи комплексной оптимизации.

8. Методом математического моделирования оптимизированных по различным критериям качества основных типов САУ электроприводов с подчиненным регулированием координат установлен энергетический эффект от использования статических законов оптимального управления в электроприводах, выполняющих заданную технологическую задачу, предусматривающую пуско-тормозные процессы, набросы и сбросы нагрузки. Доказана эффективность комплексной оптимизации режимов двигателей. Разработан комплекс методик экспериментального исследования оптимальных статических и динамических режимов асинхронного двигателя в системах частотно-регулируемых электроприводов.

Практическая ценность полученных результатов.

1. Реализация разработанной концепции комплексного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов способствует экономии энергетических ресурсов при обеспечении ими заданных технологических процессов, т. е. решению практически важной задачи энерго- и ресурсосбережения.

2. Теоретически обоснованные условия, влияющие на выбор оптимального решения, полученные результаты сравнительной оценки эффективности законов управления, выявленные свойства энергоэффективных законов управления и сформулированные рекомендации по их использованию расширяют представления об энергетическом эффекте, который можно получить на практике для конкретных типов электроприводов. Разработанная теория энергоэффективных режимов позволяет найти предельные теоретически достижимые энергетические характеристики, что создает основу для выбора разумной меры приближения к оптимальным режимам регулируемых электроприводов.

3. Принципы построения, структуры и алгоритмы оптимизаторов режимов могут использоваться для повышения энергетической эффективности существующих перспективных векторных и скалярных САУ электроприводов с подчиненным регулированием координат, а также при разработке нового поколения оптимизированных по энергетическим критериям качества комплектных электроприводов с унифицированными микропроцессорными системами управления.

4. Математические модели оптимизированных САУ электроприводов пригодны для решения широкого круга проектных задач: для учета динамических свойств электроприводов при расчете мощности двигателя и преобразователя, при проверке двигателя по нагреву и перегрузке, расчете запаса по току и напряжению преобразователя, а также для оценки энергетического эффекта при выполнении электроприводом заданной технологической задачи.

5. Универсальные модели основных типов электрических двигателей и полупроводниковых преобразователей пригодны для синтеза алгоритмов регуляторов, математического моделирования и анализа процессов оптимизированных САУ электроприводов с учетом факторов достоверности теории – электромагнитных и электромеханических процессов, насыщения, явнополюсности, влияния вихревых токов и эффектов, обусловленных автономным питанием обмоток двигателей.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках плановых госбюджетных научно-исследовательских работ: тема № 1803 «Разработка и исследование современных систем электропривода переменного тока с микропроцессорным управлением, оптимизированных по энергетическим показателям» (2003– 2007 г.г.) и тема № 1843 «Разработка научных основ создания энергоэффективных электромеханических устройств и систем переменного тока с микропроцессорным управлением и программных средств для их исследования» (2008 г.).



Результаты диссертационной работы использованы в производственной и научно-исследовательской деятельности ОАО «СвердНИИхиммаш», ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы», ООО «ПФ Тяжпромэлектропривод-2» (г. Екатеринбург) и НИИ АЭМ ТУСУР (г. Томск) при разработке оптимизированных по энергетическим критериям качества регулируемых электроприводов различного назначения. Предложенные решения позволили повысить энергетические показатели электроприводов.

Теоретические результаты диссертации вошли в учебные пособия: [2], допущенное Учебно-методическим объединением по образованию в области энергетики и электротехники для студентов высших учебных заведений по специальности 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», и [1], рекомендованное Учебно методическим объединением высших и средних профессиональных учебных заведений Российской Федерации по профессионально-педагогическому образованию.

Результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе и отражены в учебных программах профилирующих дисциплин в ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Российском государственном профессионально-педагогическом университете и Новоуральском государственном технологическом университете.

На защиту выносятся:

1. Концепция комплексного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов.

2. Обоснование подхода к построению универсальных моделей электроприводов как объектов оптимизации. Алгоритм расчета магнитного состояния насыщенных двигателей. Модели вентильных и коллекторных двигателей постоянного тока и перспективных полупроводниковых преобразователей частоты для задач оптимизации.

3. Постановка обобщенной задачи комплексной оптимизации режимов электроприводов. Результаты анализа ее особенностей. Классификация электрических двигателей по числу степеней свободы и размерности варьируемого вектора управлений.

4. Принцип построения проблемно-ориентированных моделей силовой части электропривода. Проблемно-ориентированные модели различных типов электроприводов с минимальной размерностью свободно варьируемого вектора управлений. Классификация двигателей как объектов оптимизации по варианту сочетания независимых внешних воздействий и характеру решения задач оптимизации.

5. Результаты исследования характеристик различных типов двигателей и полупроводниковых преобразователей как объектов оптимизации. Постановка общей задачи оптимизации режимов двигателей на базе проблемно ориентированных моделей.

6. Постановки и решения задач оптимизации режимов различных типов двигателей: по минимуму потерь (тока) в открытой области управлений;

по минимуму потерь (тока) при постоянстве главного магнитного потока;

по минимуму потерь (тока) при ограничении потребляемой реактивной мощности;

по минимуму потерь (тока) при постоянстве главного магнитного потока и ограничении потребляемой реактивной мощности;

по максимуму момента при ограничении напряжения и тока преобразователя;

комплексной оптимизации, сочетающей решение задачи управления по минимуму потерь (тока) с задачей управления по максимуму момента при ограничении напряжения и тока преобразователя.

7. Метод оценки энергетической эффективности режимов управления регулируемых электроприводов. Результаты сравнительного анализа энергоэффективных режимов управления двигателями.

8. Принципы построения, структуры и алгоритмы оптимизаторов режимов электроприводов с системами подчиненного регулирования.

Результаты математического моделирования оптимизированных САУ электроприводов.

9. Комплексная методика экспериментального исследования асинхронных двигателей как объектов оптимизации в статических и динамических режимах и оптимизированных САУ асинхронных электроприводов.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертации докладывались и обсуждались: на 2-ой…13-ой научно технических конференциях «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями» (г. Екатеринбург (г. Свердловск), 1974 – 2007 г.г.);

на 3-ей Всесоюзной научно-технической конференции по электроприводу экскаваторов (г. Новый Роздол, 1985 г.);

на 3…5-ой Международных (14…16 Всероссийских) научно-технических конференциях по проблемам автоматизированного электропривода (г. Нижний Новгород – 2001 г., г. Магнитогорск – 2004 г., г. Санкт-Петербург – 2007 г.);

на 15-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода» (Украина, Крым – 2008 г.);

на 12-ой Международной конференции «Электротехника, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Украина – 2008 г.);

на 1-ой Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (г.

Суздаль – 1994 г.);

на Международной электронной научно-технической конференции «Перспективные технологии автоматизации» (г. Вологда – г.);

на Международной научно-технической конференции «Электротехника, электрические системы и комплексы» (г. Томск – 2003 г.);

на Межрегиональном семинаре-выставке «Автоматизация и прогрессивные технологии» (г. Новоуральск – 1996 г.);

на 2-ой Межвузовской научно технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии (АПТ-99)» (г. Новоуральск – 1999 г.);

на 3-ей и 4-ой Межотраслевых научно технических конференциях «Автоматизация и прогрессивные технологии (АПТ-2002 и АПТ-2005)» (г. Новоуральск – 2002 и 2005 г.г.);

на Межгосударственной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала южно-уральского региона», (г. Магнитогорск, 1994 г.);

на Межрегиональной научно практической конференции по применению энергосберегающего частотно регулируемого электропривода во всех отраслях производства и в коммунальном хозяйстве (г. Новоуральск, 2002 г.).

В полном объеме материалы диссертации докладывались и получили одобрение на расширенных заседаниях кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» и технического совета ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (г. Екатеринбург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, в числе которых 1 монография, 2 учебных пособия, 26 статей, 16 докладов на конференциях (включая 2 зарубежных), 5 авторских свидетельств СССР на изобретения, 1 свидетельство РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ. В периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 8 статей.

Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат результаты, относящиеся к разработке теории оптимальных стационарных режимов электроприводов, в том числе разработка концепции исследования, обобщенной постановки задачи оптимизации, принципа построения проблемно-ориентированных моделей, постановок и решение задач оптимизации различных типов двигателей, разработка метода оценки энергетической эффективности режимов управления. Часть работ выполнена в соавторстве с научным консультантом кандидатской и докторской диссертаций автора, профессором Р.Т. Шрейнером. В работах, выполненных совместно с аспирантом А.А. Тараном, автор осуществлял постановки задач и научные консультации. В работах с другими соавторами, автору принадлежит ведущая роль в постановке задач исследования, обосновании математических моделей и методов решения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав и заключения, списка использованной литературы из 312 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 495 страниц, в том числе рисунок и 19 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика диссертационной работы – актуальность, цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность, описана структура работы.

Первая глава посвящена анализу развития теории оптимизации и разработке ключевых положений концепции комплексного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов. По теме диссертации проанализированы работы М.П. Костенко, А.А. Булгакова, М.М.

Ботвинника, Ю.П. Петрова, И.А. Сыромятникова, К.Н. Вакуленко, Э.М.

Агабабяна, К.П. Котрикова, А.С. Сандлера и Р.С. Сарбатова, Ю.Г. Шакаряна, А.М. Вейнгера, Р.Т. Шрейнера, Г.Г. Рекуса, М.Т. Чиркова и А.И. Белоусова, А.Е. Алексеева и А.-Я.Ю. Пармаса, А.А. Хашимова и Д.А. Гробера, В.В.

Панкратова и Е.А. Зимы, А.С. Карандаева и В.В. Головина, А.В. Волкова и Ю.С. Скалько, И.И. Андрейко и Ю.А. Биленкевича, Ю.И. Бочарова, М.И.

Будченко и Н.К. Хамкова, В.С. Третьякова, В.А. Мищенко, О.В. Носа, А.Н.

Попова, С.Е. Рывкина, В.Д. Каретного, В.Е. Высоцкого, А.И.

Скороспешкина, Ю.П. Сердюка, Г.Г. Иванова, Б.С. Александровского, И.И.

Эпштейна, Е.Л. Эттингера, Ф.М. Ахундова, Г.И. Сергеева, авторских коллективов под руководством В.А. Шубенко, А.М. Вейнгера, Н.Ф.

Ильинского, Р.Т. Шрейнера, А.А. Эфендизаде, О.В. Слежановского, Г.Б.

Онищенко, Ю.Г. Шакаряна, И.П. Копылова, Ю.П. Сонина и др., что позволило сформулировать следующие выводы и важные результаты:

одним из направлений научных исследований энергетической эффективности электроприводов является оптимизация режимов двигателей по различным критериям в зависимости от типа, мощности и назначения электропривода;

к числу существенных факторов достоверности теории оптимальных режимов двигателей относятся учет насыщения, влияния вихревых токов, электромагнитных и электромеханических переходных процессов;

в плане решения задач оптимизации наиболее разработанными являются вопросами математического моделирования насыщенных двигателей переменного тока и принципы построения упрощенных специальных энергетических моделей двигателей;

известные аналитические решения задач оптимизации статических режимов и переходных процессов относятся преимущественно к ненасыщенным двигателям. Для насыщенных двигателей получены качественные представления о характере и количественных закономерностях оптимальных переходных процессов;

разработаны графо-аналитические и численные методы расчета статических законов оптимального управления двигателями. Обоснованы принципы реализации статических законов оптимального управления в структурах систем подчиненного регулирования.

Кроме этого, выявлены факторы, ограничивающие использование результатов теоретических исследований на практике. К числу таких факторов относятся:

в задачах оптимизации режимов электроприводов отсутствует учет технологических требований к диапазону регулирования скорости и области изменения нагрузки;

отсутствует сравнительная оценка возможности разных типов двигателей в отношении управления энергетическими процессами электроприводов;

отсутствуют научно обоснованные критерии и методы сравнительной оценки энергетической эффективности режимов управления электроприводами;

отсутствует анализ особенностей реализации алгоритмов энергоэффективных режимов управления и энергетического эффекта при использовании статических законов оптимального управления в электроприводах, работающих в динамических режимах.

Таким образом, в области оптимизации электроприводов существует ряд проблемных теоретических задач, для решения которых в диссертационной работе предложена концепция комплексного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов, ключевые положения которой сформулированы в разделе автореферата “Научные результаты и новизна работы”.

Во второй главе дано теоретическое обоснование подхода к описанию моделей силовой части электропривода для задач управления, на основе которого создана база универсальных математических моделей двигателей и преобразователей. Задачи оптимизации электроприводов решаются в комплексе с задачами синтеза и анализа САУ. В этой связи модели двигателей должны отвечать ряду требований, к числу которых относятся следующие: необходимость учета насыщения, влияния вихревых токов, явнополюсности, электромагнитных и электромеханических переходных процессов в электрических машинах, а также эффектов, обусловленных автономным питанием и электрическими схемами соединения обмоток многофазных машин. Для моделей электрических преобразователей важным требованием является учет влияния с одной стороны преобразователя на энергетические характеристики электропривода, а с другой – режимов двигателя на основную нагрузку питающей сети. При комплексном исследовании, предполагающем сравнительную оценку различных типов электроприводов по энергетической эффективности, совокупность этих явлений обязаны описываться при одних и тех же допущениях. Кроме того, универсальные модели должны предусматривать возможность преобразования к другим вариантам моделей, давать возможность перехода от уравнений к графическому изображению моделей структурными схемами и быть максимально адаптированными к использованию программных систем и пакетов для автоматизации математических расчетов с визуально ориентированными средствами анализа. Описание двигателей и преобразователей базируется на общих законах и принципах построения математических моделей насыщенных многофазных электрических машин и полупроводниковых преобразователей.

Отобраны удовлетворяющие выше перечисленным требованиям модели обобщенной машины переменного тока (ОМПТ), асинхронизированного синхронного двигателя (АСД), асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АД), неявнополюсных и явнополюсных синхронных двигателей с продольно-поперечным и поперечным электромагнитным возбуждением (СД ППЭВ и СД ПЭВ). Получены модели компенсированных и некомпенсированных вентильных и коллекторных двигателей постоянного тока (ВД и ДПТ) как частные случаи разработанной обобщенной модели машины постоянного тока в неподвижном относительно статора базисе G s :

I Gs ia Gs ;

U Gs Gs ку ;

ua a ку a U Gs Tб p Gs BT Gs R Gs I Gs ;

a a a aa _ U Gsi Tб p Gsi R Gsi ;

i 1,4 ;

f f f Gs Gs LGs I Gs ;

a m aa Gsi M Gs LGs i I Gsi ;

i 1,2 ;

m f f f Gsi N Gs LGs i I Gsi ;

i 3,4 ;

m f f f Gs Fm I Gs ;

Gs I Gs I Gsi I Gs ;

m m m a f i Gs BI Gs ;

m T j p ;

Tб p, m mc m a Gs Gs Gs Gs где u a и ia – напряжение и ток внешней цепи якоря;

ку, U a, U f i, I a и I Gsi – двухмерные алгебраические векторы-столбцы коммутационных f функций коллекторного устройства, напряжений, токов обмоток якоря и индуктора;

Gs и Gsi – вектор полных потокосцеплений обмоток якоря и a f индуктора;

I Gs и Gs – векторы результирующих намагничивающих токов и m m главных потокосцеплений;

m и mc – электромагнитный момент и момент статического сопротивления;

и – скорость и угол поворота вала машины;

R Gs, LGs, R Gsi LGs i и – матрицы преобразованных активных a a f f Gs сопротивлений и индуктивностей рассеяния обмоток якоря и индуктора;

Fm – нелинейный оператор связи, учитывающий насыщение машины;

B, N и M – вещественные матрицы;

Tб и T j – временные константы;

p – оператор дифференцирования.

Особое внимание в главе уделено вопросу учета насыщения как фактора достоверного решения задач оптимизации двигателей в установившихся и переходных режимах работы. На основе модели плоскопараллельного поля в поперечном сечении машины разработан алгоритм решения уравнений связи нелинейных электромагнитных контуров методом локальных характеристик намагничивания, применимый в общем случае для явнополюсных и неявнополюсных двигателей. В результате получено следующее описание Gs нелинейного оператора Fm в моделях двигателей:

cos i Q Gs (i ) = q max ;

m sin i f m (i ) I Gs Q Gs (i ) ;

f m (i ) f c (i ) + f (i ) ;

m m bm (i ) = bm i [ f c (i ), i ] ;

f (i ) = -1 i bm i (i ) ;

n bm i cos i Gs = c1, m n i 1 bm i sin i где Q Gs (i ) – обмоточная вектор-функция распределения МДС;

i – угловая m координата, отсчитываемая вдоль воздушного зазора от фиксированной точки на статоре в направлении положительного отсчета углов;

qmax – амплитуда основных гармоник обмоточных функций машины;

f m – результирующая магнитодвижущая сила;

I Gs – вектор результирующих намагничивающих m токов;

(i ) – магнитная проводимость зазора;

f c (i ) и f (i ) – падения магнитных напряжений в стали и воздушном зазоре;

c1 – конструктивная постоянная;

n – число элементарных трубок, по которым замыкается магнитный поток.

С учетом требований к электрическим преобразователям разработаны модели основных типов двухзвенных преобразователей частоты (ДПЧ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения (тока), выполненных по схемам «неуправляемый выпрямитель–автономный инвертор напряжения» (НВ–АИН), «активный выпрямитель напряжения–автономный инвертор напряжения» (АВН–АИН), «управляемый выпрямитель–автономный инвертор тока» (УВ–АИТ), «активный выпрямитель тока–автономный инвертор тока» (АВТ–АИТ) и двухзвенного непосредственного преобразователя частоты (ДНПЧ) с ШИМ по схеме «активный выпрямитель тока–автономный инвертор напряжения».

Третья глава посвящена разработке обобщенной постановки задачи комплексной оптимизации режимов электроприводов в следующей ее формулировке. Пусть силовая часть электропривода описывается уравнением статической характеристики f U, X 0 ( U (u1,..., u n ) – вектор управлений и X ( m, ) – вектор состояния двигателя, где u1,..., u n, m и – реальные напряжения, момент и скорость двигателя) и по эффективности функционирования характеризуется оценками качества wi wi U, X ( i 1, k ), среди которых существует основная, например, минимизируемая оценка wi wi U, X. Найти оптимальное управление U o X, которое при ограничении одной или нескольких оценок качества обеспечивает в двигательном режиме верхнюю (в генераторном режиме – нижнюю) грань механической мощности pмех, а при снятии ограничений доставляет нижнюю грань основной оценки качества:

Uo y arg sup (inf) pмех U, y при U D U, o U (1) U o U ( X) arg min wi (U, X X c ), X c Q X c при U D U, U DU {U U f ( U, X) 0, wi (U, X) wi, X X c, i 1, k } ;

DU где – внутренняя часть множества допустимых управлений D U ;

X c и Q X c – вектор состояния и область допустимых состояний производственного механизма;

Uи wi – области допустимых управлений и значений оценок качества.

Учитывая особенность задачи (1), будем иметь при y задачу комплексной оптимизации, сочетающую решение задачи оптимального управления режимами электропривода по критерию энергетической эффективности в открытой области управлений с решением задачи управления по максимуму момента при ограничении энергетических ресурсов силовой части. Если же в (1) принять y m, то общее решение задачи комплексной оптимизации будет сочетать решения задач оптимизации режимов электропривода по критерию энергетической эффективности в открытой области управлений и по максимуму скорости при ограничении энергетических ресурсов силовой части.

Обобщенная постановка задачи комплексной оптимизации электроприводов включает следующие компоненты:

формализацию технологической задачи, выполняемой электроприводом;

анализ необходимых и достаточных условий для решения электроприводом технологической задачи;

разработку обобщенной модели силовой части электропривода как объекта оптимизации;

анализ проблемы снижения размерности и выбора наилучшего состава варьируемого вектора управлений, доставляющего экстремум функций качества;

анализ многовариантности неравноценных (по эффективности решения задач оптимизации) моделей двигателей как объектов экстремального управления;

анализ условия разрешимости экстремальной задачи с ограничениями;

обоснование целесообразности трансформации обобщенной постановки задачи оптимизации на основе проблемно-ориентированных моделей.

Разработана классификация моделей двигателей по числу степеней свободы и размерности вектора управлений (табл. 1), отражающая возможности двигателей с точки зрения оптимизации энергетических режимов электропривода при выполнении заданной технологической задачи.

Четвертая глава посвящена изучению свойств силовой части электроприводов как объектов оптимизации. Обоснована целесообразность перехода от универсальных к проблемно-ориентированным моделям.

Универсальные модели обладают рядом особенностей, препятствующих их прямому применению в задачах оптимизации. Анализ уравнений этих моделей показывает, что использование реальных воздействий усложняет решение задач оптимизации, поскольку они не могут рассматриваться в качестве независимых варьируемых переменных. В этой связи выбор варьируемых воздействий требует дополнительного анализа, что выполняется с привлечением понятия степеней свободы системы и перехода к проблемно ориентированным моделям, в которых взамен вектора реальных воздействий принимается новый вектор ( V ) меньшей размерности, однозначно определяющий состояние системы, характеризуемое выбранными показателями качества.

Таблица Тип Число Схема питания обмоток электрического Размерность электрического степеней двигателя варьируемого двигателя свободы вектора Автономное питание обмоток статора и ротора от преобразователей частоты.

Жесткое подключение обмотки статора к сети.

Питание обмотки ротора от преобразователей ОМПТ (АСД) 5 частоты.

Жесткое подключение обмотки ротора к сети.

Питание обмотки статора от преобразователей частоты.

Питание обмотки статора от преобразователя АД 3 частоты.

Питание обмотки переменного тока от преобразователя частоты, обмоток СД ППЭВ 5 возбуждения – от автономных управляемых источников постоянного тока.

Питание обмотки переменного тока от преобразователя частоты, а обмотки СД ПЭВ 4 возбуждения – от управляемого источника постоянного тока.

СД с постоянными Питание обмотки переменного тока от 3 магнитами преобразователя частоты.

ВД с Питание обмотки переменного тока от электромагнитным преобразователя частоты, а обмотки 4 возбуждением возбуждения – от управляемого источника постоянного тока.

ВД с постоянными Питание обмотки переменного тока от 3 магнитами преобразователя частоты.

Питание обмоток якоря и независимой обмотки ДПТ возбуждения от автономных управляемых 3 источников постоянного тока.

Принцип построения проблемно-ориентированных моделей силовой части электропривода состоит в следующем. В общем виде проблемно ориентированная модель силовой части как объекта оптимизации представляется вектор-функцией качества W W V, X, W ( w1, w2,..., wk ), где wi – частная функция качества;

V – вектор варьируемых управлений размерности q, V (v1, v2,..., vq ) ;

X – вектор состояния двигателя, заданный условиями технологической задачи, X (m, ).

Учитывая сложный нелинейный характер уравнений насыщенных двигателей, более удобным и универсальным при разработке проблемно ориентированных моделей является подход, базирующийся на представлении W V, X двумя, в общем случае, векторными функциями:

Q Q эм V, X ;

Wэ Q, (2) W где Q промежуточный вектор состояния модели, Q ( q1, q2,..., ql ) ;

Q эм и Wэ модели электромагнитного и энергетического блоков.

Проблемно-ориентированные модели вида (2) имеют следующие преимущества:

1) процессы построения моделей Q эм и Wэ становятся независимыми друг от друга и менее трудоемкими;

2) систематизируется процесс формирования состава внешних воздействий модели Wэ ;

3) раскрывается значение ориентации системы координат при разработке модели двигателя как объекта оптимального управления. При рациональном выборе опорного вектора упрощаются операторы моделей Wэ, алгоритмы численного расчета характеристик и синтеза оптимальных законов управления для насыщенных двигателей;

4) сохраняется возможность использования изображающих векторов (векторных диаграмм) при геометрической интерпретации оптимальных режимов насыщенных двигателей.

Детально рассмотрены имеющие принципиальное значение для задач оптимизации такие вопросы, как однозначность решения задачи оптимизации и необходимость использования итерационной процедуры при расчете магнитного состояния насыщенного двигателя.

Рассмотрены конкретные приложения данного принципа к построению проблемно-ориентированных моделей основных типов двигателей, для каждой из которых обосновано число степеней свободы и состав вектора V.

Предложены проблемно-ориентированные модели для решения практических задач.

Режимы работы двигателя как сложного электромеханического преобразователя и элемента электропривода характеризуются не одним, а некоторой совокупностью показателей качества. Поэтому в исходной формулировке задачи оптимизации и при разработке проблемно ориентированных моделей принят векторный показатель качества W.

Из практических соображений в работе для оценки режимов двигателей приняты следующие показатели качества:

1) энергетические показатели, характеризующие режимы работы двигателя как потребителя электрической энергии (активная, реактивная и полная мощности, потребляемые от преобразователя);

2) показатели, характеризующие результат электромеханического преобразования подводимой электрической энергии (механическая мощность и ее составляющие момент и скорость);

3) показатели, характеризующие загрузку элементов электрических и магнитных цепей двигателя, а также использование по току и напряжению силовых источников питания (амплитудные либо действующие значения напряжений, токов и потокосцеплений обмоток);

4) показатели, являющиеся мерой эффективности и экономичности преобразования энергии двигателем (мощность потерь в элементах электропривода, коэффициенты мощности и полезного действия).

Для обоснования постановок задач выполнен анализ функций качества электроприводов. Показано, что все основные типы электроприводов обладают экстремальными характеристиками по многим показателям качества в двигательном и генераторном режимах работы. Описаны свойства функций качества, необходимые для обоснования метода решения задач оптимизации. Выполнен анализ чувствительности показателей качества.

Выявлено существенное влияние на поведение экстремальных характеристик момента нагрузки и скорости двигателей.

В пятой главе рассматриваются математические аспекты решения задач оптимизации режимов двигателей. По результатам проведенных исследований функций качества установлены общие свойства двигателей как объектов экстремального управления, позволившие сформулировать общую постановку задачи оптимизации режимов двигателей на базе проблемно ориентированных моделей. Выявлены факторы сложности задач оптимизации – многокритериальность, наличие нелинейных функций качества и ограничений с присущей им существенной чувствительностью к изменению нагрузки и скорости двигателя, что исключает прямое применение стандартных методов поисковой оптимизации. Для дальнейшего выбора численных методов задачи оптимизации двигателей классифицированы по общему числу минимизируемых и максимизируемых функций качества, принадлежности оптимального решения Vio X границе Q V допустимой области Q V, числу локальных экстремумов в области Q V и размерности q вектора управлений V. По этим признакам определены характерные для электроприводов типы задач: однокритериальные и многокритериальные;

на безусловный и условный экстремумы;

одномерные и многомерные по управлению. Показано, что рассматриваемые задачи относятся к одноэкстремальным задачам оптимизации.

Свойства функций качества, ограничений и типы задач определяют требования к методам и алгоритмам конечномерной оптимизации. Для одномерных задач оптимизации при отсутствии ограничений обоснован градиентный метод с регулировкой шага, для многомерных задач оптимизации – модифицированный симплекс-метод Нелдера-Мида, а для задач оптимизации на условный экстремум – метод штрафных функций.

Рассмотрена общая для численных методов проблема выбора начального приближения. Предложен способ выбора начального приближения на основе введенного понятия упорядоченных дискретных подмножеств состояний вектора X.

Выполнен анализ критериев оптимизации регулируемых электроприводов. С точки зрения практической важности определены следующие типичные задачи оптимизации режимов двигателей:

1) задача управления по минимуму потерь (тока) в открытой области управлений (задача безусловной оптимизации p min );

2) задача управления по минимуму потерь (тока) при постоянстве главного магнитного потока ( p min при m const );

3) задача управления по минимуму потерь (тока) при ограничении потребляемой реактивной мощности ( p min при qs, qr const );

4) задача управления по минимуму потерь (тока) при постоянстве главного магнитного потока и ограничении потребляемой реактивной мощности ( p min при m const и q s, qr const );

5) задача управления по максимуму момента при ограничении напряжения и тока преобразователя ( m max );

6) задача комплексной оптимизации, сочетающая решения задач управления по минимуму потерь (тока) и максимуму момента при ограничении напряжения и тока преобразователя.

Для перечисленных выше задач описаны функции качества. Изучены характер поведения функций качества по отдельным направлениям допустимого пространства управлений и в целом их поверхностей, даны постановки задач и получены их решения. На основе результатов решения задач оптимизации сформулированы практические выводы.

Шестая глава посвящена разработке метода оценки и анализу энергетической эффективности режимов оптимального управления двигателями на основе теории эффективности. В работе под энергетической эффективностью режимов управления двигателем понимается степень соответствия фактического расходования энергетических ресурсов желаемому расходованию при выполнении электроприводом технологической задачи. Для оценки энергетической эффективности режимов управления введены понятия реального (фактического) и желаемого результата, которые в общем случае могут включать множество частных показателей качества функционирования электропривода для всесторонней оценки режима управления. Степень соответствия реальных результатов поставленной цели оценивается с помощью функции соответствия. Схема оценивания энергетической эффективности режимов управления включает следующие этапы: обоснование показателя энергетической эффективности режимов управления двигателем;

задание требований к эффективности режимов управления;

формулирование критерия оценивания энергетической эффективности режимов управления;

расчет функции соответствия;

обобщение результатов оценивания энергетической эффективности и формулирование рекомендаций по использованию режимов управления.

В качестве практического приложения разработанного метода выполнено исследование энергетической эффективности оптимальных режимов управления основными типами двигателей. При этом использовалась функция соответствия (мера эффективности) режимов управления p(V, X) p(V o, X) ~ ( X) p, (3) p(V o, X) где p (V, X) потери при управлении, эффективность которого исследуется;

p (V o, X) минимальные потери в двигателе, т. е. p (V o, X) min p (V, X).

V Критерий оценивания эффективности режимов управления формулируется в виде следующего условия:

~ ( X) ~, p p (4) доп где ~доп – максимально-допустимое значение функции соответствия.

p Функция (3) позволяет оценить эффективность различных режимов управления по отношению к оптимальному управлению p min и с помощью критерия (4) дает возможность выявить область рационального их использования по моменту нагрузки двигателя (табл. 2).

Таблица Тип Область нагрузок, где закон электрического Режим управления управления близок к оптималь двигателя ному закону с точностью 10% m p min при m mб m min при q s q r p ОМПТ Значительное превышение p min при m mб и p min q s qr 0,3 m АСД is min p min is min Близок к m 0,25 0, s sб АД m 0,45-0,35 1,15-1, m mб m 1,12-1, 0,45-0, r rб m 0, 0, p min при m mб m 0, min при q s p СД ППЭВ Значительное превышение mб и q s p min при m p min m 0, p min при m mб СД ПЭВ m 0,25 is min при m mб 0,25 m ВД компенсированный p min при 0,25 m ВД m mб некомпенсированный В табл. 2 относительное значение момента m M / M ном.

Особое внимание в главе уделено анализу эффективности управления АД по критерию m max при ограничении напряжения и тока статора. Дана сравнительная оценка перегрузочной способности АД при m max.

Доказано, что полное использование АД по перегрузочной способности обеспечивается при экстремальном управлении моментом. При других законах управления появляются в пределах максимально-достижимой области состояний подобласти, характеризующие недоиспользование АД по перегрузочной способности. В режиме управления при постоянном потокосцеплении ротора ( r const ) имеют место две подобласти, являющиеся следствием ограничения тока ( is огр ) и напряжения ( u s огр ). В общем случае размеры и u s огр зависят от закона управления и is огр ограничений на ток ( is огр ) и напряжение ( u s огр ). В подтверждение общих выводов на рис. 1 приведены граничные характеристики АД мощностью 7, кВт, где момента m M / M ном и скорость / ном.

а б Рис. 1. Граничные характеристики АД ( Pном =7,5 кВт) при управлениях по минимуму тока статора (а) и постоянстве потокосцепления ротора (б) Показано принципиальное отличие режима управления по критерию m max от режима двухзонного регулирования скорости АД, применяемого на практике. При двухзонном регулировании в первой зоне ( гр, где гр – значение граничной скорости) также могут использоваться различные режимы управления АД, например, при r const, is min, p min и другие. Во второй зоне ( гр ) скорость АД регулируется путем ослабления полного потока ротора при условии er er гр const. При этом величина потокосцепления ротора изменяется в соответствии с условием r k r er гр /, (5) где k r – коэффициент связи ротора.

Так как во второй зоне при фиксированной нагрузке АД с ростом скорости напряжение статора увеличивается, то при значительном увеличении скорости закон (5) может оказаться нереализуемым в силу ограничения напряжения преобразователя. По этой причине при двухзонном регулировании скорости также существует граничная характеристика, определяющая область допустимых состояний АД в системе координат «момент–скорость» и зависящая от гр. Эффективность экстремального управления моментом в сравнении с режимом двухзонного регулирования скорости иллюстрируется граничными характеристиками, приведенными на рис. 2. Характеристики соответствуют ограничениям is огр =2 is ном и u s огр = u sном. В первой зоне реализован режим управления при r const. Во второй зоне регулирование скорости осуществляется в соответствии с законом (5).

а б Рис. 2. К сравнению граничных характеристик АД при экстремальном управлении моментом и двухзонном регулировании скорости:

гр( rном, is огр, u s огр ) ;

б – гр( rном, mном, u s огр ) а– гр гр Главная функция электрических преобразователей в регулируемом электроприводе состоит в управлении поступлением электрической энергии в двигатель, чем определяется способ регулирования скорости. Вместе с тем в плане формирования энергетически выгодных режимов они имеют разные возможности. При питании двигателей от преобразователей по схемам НВ– АИН и УВ–АИТ число степеней свободы не увеличивается и остается равным числу степеней свободы двигателя. В то же время активный выпрямитель в составе ДПЧ придает новые свойства электроприводу как потребителю энергии. В этом случае появляется дополнительная степень свободы, которую можно использовать для управления энергетическим режимом преобразователя. Показана возможность влияния через законы управления двигателями на энергетические показатели качества и габаритную мощность преобразователей. При оптимизации режимов двигателей улучшаются все основные энергетические показатели преобразователей. Доказано, что исследуемые электроприводы обладают экстремальными характеристиками. В общем случае экстремумы функций качества по варьируемым переменным не совпадают. С точки зрения энергосбережения оптимальным в широком диапазоне изменения скорости и момента нагрузки двигателя следует считать режим минимальной активной мощности (минимальных потерь) системы «преобразователь–двигатель». Вместе с тем режим минимальных потерь двигателя является хорошим приближением к режиму минимальной активной мощности системы «преобразователь–двигатель». Основные результаты анализа энергетических показателей ДПЧ и ДНПЧ приведены в табл. 3, где введены следующие обозначения: i, p, q и s – ток, активная, реактивная и полная мощности, потребляемые преобразователем из сети;

– коэффициент мощности на входе преобразователя;

is – ток статора;

p – суммарные потери двигателя.

Таблица Тип Режим Показатель Состояние преобразователя управления качества показателя качества НВ-АИН минимальны p min p, q и s;

максимален минимальны i, s, и id is min При высоких скоростях и малых близки к минимальным pиq значениям значениях момента p min, а УВ-АИТ при низких скоростях и больших близок к максимальному значениях момента i s min значению близки к минимальным p, q и s min и i s min p значениям АВН-АИН при любом режиме регулируется и может управления быть равен единице близки к минимальным p, q и s min и i s min p значениям АВТ-АИТ при любом режиме регулируется и может управления быть равен единице минимальны p min i, p, q и s АВТ-АИН при любом режиме регулируется и может управления быть равен единице Анализ потерь энергии в элементах преобразователей показывает, что режимы p min и is min являются рациональными с точки зрения минимизации потерь в АИН. Электрические потери в силовых ключах трехфазного АИТ с ШИМ, выполненного по мостовой схеме, принимают минимальное значение при минимуме тока id. При питании АИТ от УВ ток выпрямителя id при постоянстве напряжения сети определяется током статора, принимая минимальное значение в режиме управления is min.

Установлено, что габаритная мощность ( sп.г ) минимальна при таком режиме двигателя, когда одновременно отсутствует потребление реактивной мощности и потери в двигателе имеют минимальное значение. Такой режим обеспечивается в ОМПТ и СД с электромагнитным возбуждением. Для других типов двигателей также получены условия, при которых sп.г min (табл. 4).

Таблица Тип Выражение Режим двигателя габаритной мощности управления ОМПТ min при q s, qr p 2 2 2 sп.г ps г qs г pr г qr г АСД pr min при qr 2 sп.г pr г qr г СД min при q s p 2 sп.г ps г qs г АД ss min 2 sп.г ps г qs г В седьмой главе обоснованы структуры САУ электроприводов с подчиненным регулированием координат (СПР) для реализации энергоэффективных режимов. Показано, что важной предпосылкой реализации оптимальных режимов в таких электроприводах является введение в состав регулируемых переменных токов, потокосцеплений статора (ротора), электромагнитного момента и скорости. Для оптимизации режимов двигателей регулятор момента согласует задания для подчиненных ему локальных САР потокосцеплений и токов с таким расчетом, чтобы в процессе управления моментом двигателя обеспечить режим силовой части, удовлетворяющий выбранному критерию оптимизации, а также стабилизировать параметры САР скорости в условиях изменения свойств двигателя. Для построения регуляторов момента используются модели насыщенных двигателей. В работе этот подход, предложенный профессорами А.М. Вейнгером и Р.Т. Шрейнером для оптимизации синхронных и асинхронных электроприводов соответственно, берется в качестве основы, получает дальнейшее развитие и обобщение на случай применения двигателей с повышенным числом степеней свободы (ОМПТ и СД ППЭВ).

Исследованы два возможных подхода к разработке структур и алгоритмов оптимизаторов режимов (ОР). Первый подход базируется на использовании обратного оператора звена электромагнитного момента. Разработаны структуры и алгоритмы ОР для основных типов электроприводов.

В качестве иллюстрации для электропривода с ОМПТ (рис. 3) на рис. приведена структурная схема ОР, который описывается уравнениями I* s R I (m*, * ) ;

I* r s, m M I* r 1 к d t ;

к к d t ;

(6) к Tб Tб o o * m m m ;

;

к o ;

к к Vo ( o, o ) V o (m*, ), m где V o (m*, ) оптимальный закон управления режимом работы;

o () o оптимальный закон управления скольжением;

m оптимальный вектор главных потокосцеплений;

m* и задание на момент и скорость двигателя;

m вектор поисковых сигналов;

* и * векторы заданных токов o s r I статора и ротора;

R M оператор регулятора момента;

к угловая скорость системы координат;

Tб – базисная постоянная времени.

Рис. 3. Функциональная схема электропривода:

М – электрическая машина переменного тока с фазным ротором;

ПЧС и ПЧР – преобразователи частоты статора и ротора;

ДТС и ДТР – датчики токов статора и ротора;

ДС – датчик скорости;

ПКНС и ПКНР – преобразователи координат напряжений управлений преобразователями частоты;

ПКТС и ПКТР – преобразователи координат токов статора и ротора;

Ф1 и Ф2 – фильтры;

РТ – многомерный регулятор токов;

ОР – оптимизатор режимов;

РС – регулятор скорости Второй подход предполагает переход к форме выражения законов оптимального управления через составляющие результирующих векторов токов и потокосцеплений в соответствующих системах координат. Показаны положительные и отрицательные свойства этих подходов.

Рис. 4. Структурная схема оптимизатора режимов Общим для векторных систем управления является вопрос выбора рационального ориентирующего вектора. Для реализации оптимальных режимов управления ОМПТ рекомендуются системы координат, ориентированные по вектору потокосцеплений статора либо ротора, а для электроприводов с АСД, СД и АД – традиционные варианты систем координат и способы ориентации в зависимости от требований к динамическим характеристикам электропривода. В системах управления электроприводов с ВД предпочтительно сочетание неподвижной системы координат и системы координат, ориентированной по вектору токов якоря.

Рассмотрены вопросы реализации закона управления, обеспечивающего максимальную перегрузочную способность привода по моменту при ограничениях выходного напряжения и тока преобразователя частоты. На примере асинхронного электропривода показано решение этой задачи.

Разработаны стратегия управления и алгоритмы комплексной оптимизации для скалярной САУ частотно-токового управления и векторных САУ с ориентацией по полю, ориентацией поля и прямым управлением моментом.

Восьмая глава посвящена математическому моделированию электроприводов с энергоэффективными режимами управления. На основе анализа общих требований к переходным процессам электроприводов различных производственных механизмов в качестве базового переходного процесса для оценки динамических и энергетических характеристик принят пуск (торможение) привода с ограничением ускорения (замедления), осуществляемый с помощью задатчика интенсивности на входе САУ.

Для проведения цифрового моделирования разработаны математические модели САУ электроприводов с основными типами двигателей. При моделировании принято предположение о безынерционности, линейности характеристик «вход–выход» и равенстве единицам коэффициентов усиления преобразователей. Синтез регуляторов проведен по известным методикам для нелинейных многосвязных объектов управления. В качестве примера на рис. 5 представлена блок-схема модели системы электропривода с ОМПТ.

Рис. 5. Блок-схема модели системы электропривода с ОМПТ Уравнения ОМПТ записаны во вращающейся с произвольной угловой скоростью к двухмерной декартовой системе координат Oxy :

U** Us Tб p s к B s R sI s ;

s U r U** Tб p r ( к )B r R r I r ;

r s m Ls I s ;

r m Lr Ir ;

m Fm I m ;

I m (I s I r ) ;

m B m I s ;

m mс T j p, где U j, I j, j – двухмерные алгебраические векторы напряжений, токов, полных потокосцеплений обмоток статора ( j s ) и ротора ( j r ), а также результирующих намагничивающих токов и главных потокосцеплений ( j m );

Fm нелинейный оператор, учитывающий насыщение машины;

R j и L j – матрицы активных сопротивлений и индуктивностей рассеяния обмоток статора ( j s ) и ротора ( j r );

B – постоянная вещественная матрица;

T j – механическая постоянная времени.

Уравнения многомерного регулятора преобразованных токов статора и ротора (РТ) с многомерным фильтром (ФМ) на выходе имеют вид:

i p*jR (*j j ), j s, r ;

* * R *R ;

m s r * Fm * ;

m m *j * L j *jR, j s, r ;

m R s *R ;

U* Tб p* * к B s s s s U* Tб p* * R r *R, к B r r r r T j pU*j* U*j* U*j, j s, r, где i постоянная интегрирования регулятора;

I* и I* – заданные векторы s r преобразованных токов статора и ротора;

T j диагональная матрица некомпенсируемых постоянных времени по каналам регулирования токов статора и ротора;

U* и U* векторы выходных сигналов РТ.

s r Оптимизатор режимов (ОР) описывается уравнениями (6). Уравнения регулятора скорости (РС) и одномерного фильтра (Ф), ограничивающего полосу пропускания САР скорости, моделируются уравнениями m** R (* ) ;

Tm pm* m* m**, где R – оператор РС;

Tm – постоянная времени, определяющая полосу пропускания фильтра.

Изучены переходные процессы оптимизированных электроприводов по различным критериям качества. Выполнена сравнительная оценка энергетических характеристик электроприводов в переходных режимах, которая проводилась по мгновенной суммарной мощности потерь энергии p (t ) и реактивной мощности q(t ), а также соответствующим интегральным характеристикам w и Q. Результаты математического моделирования переходных процессов оптимизированных электроприводов позволяют сделать следующие основные выводы:

в оптимизированных электроприводах с СПР обеспечиваются переходные процессы, близкие к стандартным процессам электроприводов постоянного тока. При этом переходные процессы сопровождаются форсировками по напряжению, вполне реализуемыми на практике при условии ограничения потока снизу;

использование статических законов оптимального управления p min в электроприводах, выполняющих заданную технологическую задачу, предусматривающую пуско-тормозные процессы, набросы и сбросы нагрузки, обеспечивает ощутимый энергетический эффект, зависящий от заданного ускорения, момента инерции механической части и статического момента нагрузки.

В качестве примера на рис. 6 представлены зависимости интегральной ~ меры эффективности ( w ) режимов управления СД ППЭВ в системе электропривода от момента статической нагрузки ( mс ) и темпа задатчика интенсивности ( A ), рассчитанные по формуле w w p min ~ w, w p min w где p min – мощность потерь энергии при реализации статического закона управления p min. Видно, что с увеличением mс и A эффективность управления p min растет. В то же время режимы управления p min и is min при m ном можно считать m практически эквивалентными при реальных значениях mс и A.

Результаты расчетов мгновенной мощности при пуске показывают, что переходные процессы в оптимизированных по минимуму потерь электроприводах протекают с потреблением реактивной мощности.

Зависимости реактивной энергии статора ( Qs ) от mс и A СД ППЭВ представлены на рис. 7.

Рис. 6. К оценке эффективности законов оптимального управления при пуске СД ППЭВ в системе электропривода:

1, 3 – при управлении p min при m ном ;

2, 4 – при управлении m is min при m m ном Видно, что наибольшее потребление реактивной энергии наблюдается при управлении p min, а режим is min при характеризуется m m ном наименьшим потреблением реактивной энергии при пуске двигателя. Промежуточное положение занимает режим управления p min при m m ном.

Рис. 7. Зависимости реактивной энергии при пуске СД ППЭВ от момента статической нагрузки и темпа задатчика интенсивности:

Девятая глава посвящена комплексному экспериментальному исследованию энергоэффективных режимов управления АД.

Цель экспериментального исследования – подтверждение основных теоретических положений на базе асинхронного частотно-регулируемого электропривода. Этой целью определяются следующие основные задачи экспериментального исследования:

подтверждение результатов теоретических исследований характеристик АД как объекта экстремального управления и правомерности постановок задач оптимизации;

проверка возможности практической реализации оптимальных режимов в асинхронном электроприводе;

проверка возможности и эффективности комплексной оптимизации режимов АД в системе электропривода;

подтверждение эффективности статических законов оптимального управления в электроприводах, работающих в динамических режимах.

Для решения этих задач разработан комплекс методик для подготовки исходных данных, снятия экстремальных характеристик в установившихся и динамических режимах двигателя, экспериментального исследования законов оптимального управления, снятия механических, электромеханических и энергетических характеристик асинхронного электропривода при оптимизации его режимов по различным критериям качества.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили следующие основные теоретические положения:

многие функции качества электропривода при питании АД от полупроводниковых преобразователей частоты имеет экстремальный характер. Экстремумы функций качества по варьируемому управлению не совпадают. Экстремальные характеристики “дрейфуют” при изменении момента нагрузки и скорости. Выявленные свойства функции качества доказывают правомочность постановок задач оптимизации асинхронных электроприводов;

реализация режима минимуму тока статора позволила повысить энергетические характеристики асинхронного электропривода. Так потери в двигателе, пропорциональные току статора, при перегрузке ( M 1,75M ном ) снижены более чем 2 раза;

правомочна постановка задачи комплексной оптимизации асинхронного электропривода. Экспериментально получена максимальная перегрузочная способность АД в системе электропривода при ограничении напряжения и тока статора. Опытная механическая характеристика электропривода с высокой точностью совпала с расчетной зависимостью, что свидетельствует о достоверности разработанной теории и алгоритмов. В сравнении с САУ электропривода, в которой был реализован закон rном, диапазон регулирования скорости расширен на 20 %. Внутри r максимально достижимой области в координатах «момент–скорость» режимы АД соответствовали оптимальному режиму по минимуму тока статора.

подтверждена эффективность статических законов управления в электроприводах, работающих в динамических режимах. Для чего экспериментально было доказано, что АД обладает экстремальными характеристиками в динамике. Определены условия, обеспечивающие минимумы времени переходных процессов и энергии потерь в АД при ограничении тока статора. Сравнительная оценка этих условий показала, что оптимальные по минимуму времени и активной энергии режимы управления отличаются несущественно. Кроме того, было выявлено, что оптимальным по минимуму активной энергии режим можно считать практически эквивалентным режиму, обеспечивающему оптимум тока статора. Наиболее существенное отличие наблюдается при малых скоростях и больших токах, что объясняется влиянием электромагнитных переходных процессов в двигателе. Однако основные показатели переходных процессов при этом различаются в меньшей степени. При реальных параметрах двигателя и производственного механизма задача оптимизация режимов двигателя как в установившихся, так и в переходных режимах может быть практически решена путем использования более простого закона управления по минимуму тока статора. Тем не менее, при управлении режимами АД в общем случае следует все же учитывать различие законов управления, обеспечивающих оптимум в установившихся и переходных режимах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные итоги комплексного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов заключаются в следующем.

1. Среди научных направлений исследования энергоэффективности электроприводов, важное место занимает оптимизация режимов регулируемых электроприводов. На основе анализа развития теории оптимизации различных типов электроприводов установлены факторы, определяющие достоверность и практическую ценность теоретических исследований данной проблемы. К ним относятся необходимость учета нелинейности характеристик намагничивания, вихревых токов, явнополюсности, электромагнитных процессов в системе «преобразователь– двигатель» и эффектов, обусловленных автономным питанием и электрическими схемами соединения обмоток многофазных двигателей.

Выявлены также факторы, снижающие практическую ценность теоретических результатов. Так в большинстве постановок задач не учитываются условия технологических задач, для решения которых предназначен электропривод. Отсутствуют сравнительная оценка энергетического эффекта в оптимизированных электроприводах на основе научно обоснованных критериев и методов, а также анализ особенностей реализации алгоритмов энергоэффективных режимов управления и энергетического эффекта при использовании статических законов оптимального управления в электроприводах, работающих в динамических режимах. В результате не только в традиционных, но и в современных электроприводах используются режимы работы, не отвечающие в полной мере актуальной задаче энергосбережения.

2. Для преодоления несоответствия теории и практической потребности в энергоэффективных электроприводах предложена и разработана концепция комплексного исследования энергетической эффективности регулируемых электроприводов, ориентирующая независимо от типа двигателя и преобразователя на использование возможности управления электромеханическим преобразованием энергии. Согласно базисным положениям концепции задача оптимизации электроприводов рассматривается как наилучшее (в энергетическом смысле) решение технологической задачи при ограниченных ресурсах силовой части. При этом определяющими факторами эффективности электропривода являются тип двигателя, способ регулирования скорости (положения) и режим управления магнитным потоком двигателя. Комплексный учет этих факторов актуализирует задачу построения универсальных моделей силовой части электроприводов на принципах единства подхода, уровня допущений и математического аппарата описания. Упрощение решения задач оптимизации достигается переходом от универсальных моделей к проблемно ориентированным моделям силовой части электропривода.

3. Дано теоретическое обоснование подхода к описанию универсальных моделей двигателей и преобразователей для решения задач оптимизации статических и динамических режимов. На основе этого подхода создана база универсальных моделей двигателей и преобразователей, что позволяет сопоставлять возможности разных типов двигателей в отношении управления энергетическими режимами. Дальнейшая адаптация универсальных моделей к непосредственному решению задач оптимизации привела к целесообразности их трансформации в ряд проблемно-ориентированных моделей.

4. Разработана постановка задачи комплексной оптимизации регулируемых электроприводов, для которых превалирующими являются статические режимы работы. Сочетание в ней возможности определения максимально достижимых границ рабочей области функционирования электропривода в координатах «момент–скорость» при соблюдении ограничений на ресурсы силовой части с оптимизацией режимов работы электропривода внутри рабочей области по энергетическому критерию способствует экономии энергетических ресурсов при обеспечении заданных технологических процессов. Задача комплексной оптимизации позволила выявить требования к моделям силовой части как объектов оптимизации, создать классификацию моделей двигателей по числу степеней свободы и размерности варьируемого вектора управлений, обосновать целесообразность перехода от отправных универсальных моделей к проблемно ориентированным моделям для решения практических задач.

5. Предложен принцип построения проблемно-ориентированных моделей для решения задач оптимизации электроприводов методами теории математического программирования. Показано, что в задачах оптимизации реальные управляющие воздействия (напряжения обмоток) не могут рассматриваться в качестве независимых варьируемых величин в связи с необходимостью соблюдения условий технологической задачи. Этим обосновывается целесообразность перехода от универсальных к проблемно ориентированным моделям, в которых вводится новый вектор управлений со свободно варьируемыми компонентами. При этом доказано, что условия технологической задачи приводят к снижению размерности свободно варьируемого вектора управлений проблемно-ориентированных моделей в сравнении с размерностью вектора реальных управлений.

6. Для обоснования правомочности постановок задач оптимизации электроприводов выполнен анализ функций качества. Доказано, что основные функции качества имеют экстремумы в двигательном и генераторном режимах. Значения компонент векторов управлений, доставляющих экстремумы различным функциям качества, в общем случае не совпадают.

Экстремальные характеристики “дрейфуют” при изменении момента нагрузки и скорости. При этом изменяются не только экстремальные значения функций качества, но и вид характеристик. Поверхности функций качества имеют овражный характер.

7. На основе анализа решений задач оптимизации различных типов двигателей выявлено:

общим свойством энергоэффективных законов управления является их нелинейный характер. Причем при энергоэффективных режимах управления основной магнитный поток изменяется в широких пределах, что может стать препятствием их реализации в электроприводах, с быстро нарастающей нагрузкой при дефиците напряжения преобразователя;

для двигателей с числом свободно варьируемых управляющих воздействий, превышающим единицу, допустима постановка задач оптимизации при введении дополнительных условий, например, обеспечение минимума мощности потерь при постоянстве главного магнитного потока.

Это позволяет расширить область использования оптимальных статических законов управления на динамичные электроприводы;

в общем случае законы энергоэффективного управления должны учитывать изменение скорости и момента двигателя. Сравнительный анализ оптимальных режимов двигателя на основе критерия энергетической эффективности позволяет в каждом конкретном применении выбрать компромиссный по энергетической эффективности и простоте алгоритм управления.

8. В результате комплексного исследования энергоэффективных режимов различных типов электроприводов показано:

целенаправленное управление электромеханическим преобразованием энергии двигателями, является глобальным фактором повышения энергетической эффективности регулируемых электроприводов в процессе их функционирования. При этом, чем больше степеней свободы (порядок варьируемого вектора управлений) имеет двигатель как объект управления, тем выше энергетический эффект, получаемый в результате оптимизации.



Pages:   || 2 |
 


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.