автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмы оптимального управления гребной электрической установкой с машиной двойного питания

На правах рукописи

Гельвер Фёдор Андреевич

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ ПО КРИТЕРИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

09-4 298

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и элекгрооборудование береговых установок» в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Самосейко Вениамин Францевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Климов Евгений Николаевич

кандидат технических наук Калачиков Павел Николаевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии»

Защита состоится « 9 » июня 2009 г. в 16 00 часов в ауд. № 235° на заседании диссертационного совета Д223.009.03 при Санкт-Петербургском Государственном университете водных коммуникаций по адресу: индекс 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /мг

кандидат технических наук, доцент ¿Г ЕГ. Барщевский

I "российская IГ ° 'б'ЯВПМО Т Е к А

1 _200Э_-иоьщля ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Повышение энергетической эффективности является одним из приоритетных направлении технической политики не только в области судостроения, но и в других областях науки и техники, и регламентируется Федеральным законом РФ "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности". Повышение энергетической эффективности при управлении гребной электрической установкой ведет к уменьшению габаритов и массы источников электроэнергии, снижает потребление топлива, вызывает удешевление эксплуатации судна и увеличению автономности плавания. Побочным эффектом повышения энергетической эффективности становится снижение массы и занимаемой площади гребной электрической установки, что дополнительно обеспечивает увеличение используемой грузоподъемности.

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

3

Целью работы является разработка алгоритмического и информационного обеспечения управления, позволяющего повысить энергетическую эффективность и улучшить технико-экономические и эксплуатационные характеристики автоматизированной ГЭУ на базе применения машины двойного питания.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

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

2) Выполнен поиск оптимального электромеханического преобразователя на множестве типов электрических машин, выпускаемых промышленностью при оптимальном управлении по критерию энергетической эффективности.

3) Выполнен анализ технологических режимов и конструктивных особенностей гребных электрических установок.

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

5) Синтезированы алгоритмы информационного обеспечения управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания.

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

Научную новизну имеют следующие основные результаты и положения диссертационной работы:

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

2) Синтез алгоритмов оптимального управления машиной двойного литания автоматизированной ГЭУ, обеспечивающих максимальное значение показателя энергетической эффективности.

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

4) Математическая модель машины двойного питания ГЭУ, отличающаяся тем, что исходные уравнения с периодическими коэффициентами преобразованы в уравнения с постоянными коэффициентами и выделены уравнения якоря и индуктора.

Практическая ценность полученных результатов:

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

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

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

4) Создана информационная база данных составных элементов гребных электрических установок.

5) Возможность использования машины двойного питания 1ю только при проектировании новых и модернизации существующих установок ГЭУ, но и применение в различных областях техники.

Реализация результатов работы. Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы использованы в разрабатываемых проектах и научно-исследовательских работах одного из ведущих научно-исследовательских институтов России по созданию ГЭУ и судового электропривода ФГУП "ЦНИИ СЭТ".

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

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

2) Алгоритмы оптимального управления машиной двойного питан и я автоматизированной ГЭУ в режимах экономичного и полного хода, обеспечивающие максимальное значение показателя энергетической эффективности.

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

4) Математическая модель машины двойного питания автоматизированной ГЭУ, представленная в виде уравнений индуктора и якоря.

Апробация работы. Основные результаты работы изложены: в трудах V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2007" (г. Санкт-Петербург, 18-21 сентября 2007 г.); на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых сотрудников СПГУВК 2004-2006 гг.; на заседаниях секции 11ТС ФГУП "ЦНИИ СЭТ" в 2007 и 2008 гг.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 7 статьях, в том числе одна из статей опубликована в издании, имеющимся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 135 страницах основного текста, содержит 52 рисунка и 4 таблицы. Список литературы включает 104 наименования.

11. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

Важными факторами ГЭУ являются энергетические и маееогабаритные показатели. Уменьшить габаритные размеры и стоимость электрических машин можно за счет повышения частоты их вращения. Но чем выше частота вращения двигателя и меньше масса, габаритные размеры и стоимость двигателя, тем больше редуктор - его масса, габаритные размеры и стоимость. Возникает конфликтная ситуация: электромашиностроитель, минимизируя собственные затраты (кг/кВт) и повышая КПД электродвигателя, увеличивает его частоту вращения, а это приводит к увеличению массы и стоимости редуктора. Максимальная же частота вращения гребного винта лежит в пределах 20(Н300 оборо-

7

tob u минуту и зависит от технических характеристик и параметров самого винта. При рассмотрении различных типов электромеханических преобразователей ГЭУ по ряду показателей качества установлено, что асинхронный электродвигатель с фазным ротором по сравнению с другими электромеханическими преобразователями обладает лучшей энергетикой, что особенно актуально для автономных систем, к которым относятся системы электродвижения. Применение электродвигателя двойного питания ведет к повышению частоты вращения и необходимости применения редуктора. Поэтому в данной главе устанавливаются границы между двумя тенденциями построения ГЭУ и области применения машин двойного питания.

Анализ редукторного и безредукторного ГЭУ направлен на определение областей их преимущественного применения. Для более наглядного сравнения в данной главе приведены графики сравнения вариантов безредукгорного электропривода с низкооборотной электрической машиной и редукторного привода с асинхронным электродвигателем двойного питания. Сравнение производилось проектов разрабатываемых в ФГУП "ЦНИИ СЭТ" с альтернативными вариантами гребной электрической установки, в состав которой входит машина двойного питания и редуктор.

На рис.1 представлены зависимости относительной массы безредук-торных и редукторных вариантов построения ГЭУ. Из данных графиков следует, что по массогабаритным

1-1 S I, 1 МИЛ !

I'hc. I. Чаиисимосш относительной массы | показателям, безредуктор-

(имрелукториых п релукгорных Г)У I , .,,, .............1 J..........'.........1......i........'.................... ; мыс I )У уступают релук-

торным. Особенно это проявляется у установок большой мощности. Следовательно, применение редукторного электропривода с машиной двойного питания в ГЭУ следует считать перспективным и более предпочтительным, так как он обладает более высокой удельной мощностью по массе (кВт/кг) и более высокой удельной мощностью по объему (кВт/м3).

Вторая глава посвящена вопросам математического описания асинхронной машины с фазным ротором при двойном питании и синтезу алгоритмов управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания, по критериям энергетической эффективности и быстродействия.

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

Преобразователь частоты (ПЧ) позволяет синтезировать симметричные трехфазные синусоидальные напряжения:

Рис. 2. Схема питания ротора и статора асинхронного электродвигателя от одного электрического преобразователя

СО.вСй), -1+(р)

«8 = и„ ео8(й), -1+<р-р)

СО$(й>, ■ / + ф + р)

где <р - начальная фаза напряжения; р=2-я/3; (Л] -амплитуда напряжения на выходе преобразователя частоты; щ - угловая частота напряжения.

Последовательность чередования фаз обмотки статора будем считать прямой, а у ротора - обратной. Следует отметить, что если обмотки статора и ротора имеют одинаковую последовательность чередования фаз, то поля статора и ротора будут вращаться с одинаковой скоростью си, в одном направлении, а ротор будет неподвижным. Если обмотки статора и ротора имеют различную

последовательность чередования фаз, то поля статора и ротора будут вращаться с одинаковой скоростью а)\, но в различных направлениях, а ротор будет вращаться с двойной угловой скоростью со-2-а>\.

статор На

ротор

Математическая модель асин-

1

| хронного электродвигателя с магни-

!

| тосвязанными обмотками статора и

I ротора может быть представлена : Рис. 3. Схема замещения обмоток статора и по- ' „

! тора асинхронной машины ; схсмои замещения представленной

на рис.3. На данной схеме = и Кк = /?к-1 - матрицы активных сопротивлений фаз статора и ротора соответственно; - ЦЛ и Ьк _ /.ц-1 - матрицы ин-дуктивностей рассеяния фаз статора и ротора соответственно.

Матрицы основных и взаимных индуктивностсй обмоток обобщенной машины, учитывая симметрию магнитной системы и обмоток, можно переписать в следующем виде:

Ьня(у)

''КК. '•кк'Оц'-Ок

где "'я -Л; '- /-их ~ "^'"'к'Ло; ¿кк -Ло", ¿о - основная магнитная проводимость; 1)ц, Оц - фазные матрицы обмоток статора и ротора; и х и и>ц эквивалентное число витков фазных обмоток статора и ротора, рапное произведению числа витков фазных обмоток на обмоточный коэффициент; У(^) матрица вращения; у=~ш-1 - угол поворота ротора, рад; ш - угловая скорость вращения ротора, рад/с.

Используя второй закон Кирхгофа, запишем уравнения в естественной системе координат/), В, С

ик=кк-1к+ькк'я«к+ р (иЛ), (1'

где /;- оператор дифференцирования переменной по времени /.

Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя определяется выражением:

1С

М = 1.чт' —- Ц„< (у) 1к= - 1КГ- --Ьм М-18.

ду ду

(2)

Ч" ; и2= «2» ; 11= 'и, ; 11= Ни

«1». .'IV. Л».

Получившиеся уравнения являются линейными с периодическими коэффициентами в виде матриц вращения. Для упрощения анализа и синтеза динамических процессов целесообразно произвести дальнейшие преобразования.

Токи и напряжения в системе координат иу связаны с векторами в естественной системе координат соотношениями:

и,=2/т.У(йГ/)т-В8.ид; 1,= г/мЛ^дагО^-Ъ; и2= г/л-О^^-УС^/^-ик; 12= 2/м-(>»'л/1с1у)-У(й>2-0т.Вк-1к.

Векторы 11ь И2,1Ь 12 характеризуются двумя координатами на плоскости:

и,-

В результате замены переменных получим новую систему уравнений в осях координат и, V в следующем виде:

где ¿п=/.о+/,ь Ьгг'-Ь о+12.

Электромагнитный момент т - фазной асинхронной машины на пару полюсов в осях координат к,у определяется выражением:

М-(т12)-и-1?-Шг. (4)

Уравнения, записанные для двухмерных векгоров в осях координат и,\, можно переписать в комплексной форме записи путем формальной замены Е на мнимую единицу /, а векторы И), и2,1ь Ь на комплексные переменные:

И|в ИШ+/-И1К, Й2= «2Г/+/-И2К» Ь~ ¡иг^-гт ЬгЬи Ч-Ь'-

Тогда уравнения в осях координат иу в комплексной форме записи: и.1 - ЛгХ1 +]-(0\-1пЛ\ + +¿о'РЬ;

Уа Т<Ъ-1-ггЬ. + ЦхрЬ 1| I 1ц-р1\.

Электромагнитный момент в комплексных переменных определяется:

(3)

(5)

М- ~ ;У-А,'(1гЫгЬ) -/.„11т(1,)'Ке(ЬЬКе(11)-1т(Ь)Ь

(6)

где 1 - сопряженное комплексное число I; Re(I) - действительная часть числа I; Im(I) - мнимая часть числа I.

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

М= '/L0iT-E-i= Z,0-Im(IT)-E-Re(i).

Комплексные амплитуды напряжений обмоток статора и ротора можно записать в виде:

U, = Urcxp(/» = Urf+y'U,,; uHli=Urexp(-y» = Ц,-/и„ (?)

где Urcos(^); U,; = l^-sin^). Комплексная амплитуда Ui связана с комплексом действующего значения U\ соотношением: U[ = LI у 42 .

Динамика электромагнитных процессов описывается дифференциальными уравнениями:

Ui -+j-(0\-Lu-h + L\i-pl\+f(0\-Lvh + La-ph:,

U, = Л2Ь +j-o).i-La-h + ¿22 'Ph. +roh-h-\{ + L0-pl ь Будем полагать, что обмотки статора и ротора имеют одинаковые параметры: Rf~ R', L^L2; Ьп'^Ьц. При равенстве параметров статора и ротора несложно установить, что токи статора и ротора связаны соотношениями 1| Ь и Ь 1ь Тогда уравнения примут следующий вид:

U, = Rrh + ./• ft)i rli +111 'ph i j- ct)[ -Ло-Xi I Lo'Phl

Ы, —/av^ii'li 1 Uvph-]ч»уЦЛ\ +L0-ph-Первое уравнение напряжений является сопряженным уравнением по отношения ко второму уравнению. Комплексы токов статора и ротора:

Ii = h +./V> h ~ li = h —y-V (9)

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

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

(10) (11)

и,/ - КЛи- сог^Л^ ир]/,

где 1.ч - 1.2\ /></ - 2-1.{, I Ц я 2-Ь0. При этом электромагнитный момент машины можно записать в следующем виде:

Новые уравнения записаны в скалярной форме и имеют второй порядок. Индуктивность I, много меньше индуктивности /,,/. Значение 1.ч - ¿1 составляет всего около двух процентов от индуктивности Ьц ~2'Ц. Полученные уравнения аналогичны уравнениям машины постоянного тока. Первое уравнение является уравнением

['не. 4. Векторная диаграмма токов и напряжений

индуктора и аналогично уравнению цепи обмотки возбуждения машины постоянного тока, а второе - обмотки якоря.

Алгоритм управления машиной двойного питания по критерию ¡перги тн ческой эффективности

Управление, обеспечивающее максимальный коэффициент энергетической эффективности заключается в обеспечении заданного электромагнитного момента с минимальными потерями энергии в обмотках статора и ротора.

Согласно уравнению электромагнитного момента (12) и условию 1</г+1</~1/2 в П1.3 показано, что для управления ГЭУ с машиной двойного питания с максимальным коэффициентом энергетической эффективности необходимо, чтобы выполнялись условия: ^ — 12, -л/2 (или I,/-!,,). Добиться равенства 1,/-=1(, можно путем воздействия на вектор напряжения Ц| при и>\ ~со/2.

Полагая в уравнениях (10) и (11)/7-0,!,/-!,,, а>\ -аЛ и М' -^'Лц -1,(, находим формулу для статической механической (электромеханической) характсри-ешки машины двойного питания при управлении с максимальным коэффициентом энергетической эффективности:

м'-и ,"'•/,;/ [(«' /2ГЦ 1< + /.,/*•<•(/.'2)2|.

П

При управлении с максимальным коэффициентом энергетической эффективности статические механические характеристики электродвигателя при двойном питании (рис.5) аналогичны характеристикам электродвигателя постоянного тока с последовательной обмоткой возбуждения. Область возможного управления асинхронным электродвигателем при двойном питании с минимальными потерями находится ниже кривой соответствующей напряжению [/1*=1 (рис.5).

Алгоритм управления машиной двойного питания по критерию быстродействия

Управление с постоянным током намагничивания заключается в поддержании постоянства модуля тока 1</ = 1/(2-/,о*) к 1/1Такое значение тока намагничивания I,/ выбирается исходя из значения тока холостого хода при 1)1=11,,, сое тв- При постоянстве тока намагничивания электромагнитный момент в соответствии с формулой (12), будет пропорционален, а в относительных единицах и равен току нагрузки 1(/:

мЧ/. (13)

Для статического режима работы уравнения (10) и (11) в относительных единицах приобретают следующий вид:

Ш* = (Я'/Ьа - 0)\ -1ц -М')\

и 1,' = (Л<-Л/ + ©Г).

Первое уравнения характеризует контур намагничивания. Второе уравнение аналогично уравнению якоря машины постоянного тока. Используя второе

2,0 т

1 \ ; ; ; ;

1,5

1,0 0,5

—

1 1 -1-

0 0,5 1,0 1 1 1 5 2,0 2,5

0 0,45 0,63 0,77 0,89 I Рис. 5. Статические механические (электромеханические) характеристики при управлении с максимальным коэффициентом энергетической эффективности

2,0 1,5

1,0

1 0,5

У, -0,5

0,5

А/

(7,4;

1,5

Рис. 6. Статические механические (электромеханические) характеристики при управлении с максимальным бистродсйстнисм

уравнение можно построить статическую механическую (электромеханическую) характеристику асинхронного электродвигателя при постоянном токе намагничивания 1(/.

Данный алгоритм управления позволяет получить статические механические характеристики (рис.6) полностью аналогичные характеристикам электродвигателя постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения и обеспечивает высокое быстродействие регулирования электромагнитного момента, существенно превосходящее аналогичное регулирование двигателя постоянного тока.

Третья глава посвящена вопросам энергетической эффективности процесса передачи энергии в ГЭУ с машиной двойного питания. Предложен метол оценки электромеханических преобразователей и алгоритмов их управления по критерию энергетической эффективности. Приводятся количественные оценки сравнения различных видов электрических машин переменного тока по составляющим потерь энергии.

Потери мощности Л/" имеют достаточно сложную структуру и в подавляющем большинстве математических моделей учитываются лишь электрические потери в обмотках Л/',.

Показатель энергетической эффективности электромеханического преобразователя. Так как электромеханический преобразователь предназначен дня создания электромагнитного момента М - /.о-1т1и-ьт(/3), то эффективность его работы удобно оценивать показателем энергетической эффективности равным отношению электромагнитного момента к потерям мощности в обмотках:

М\ + I,,5 " ' с \ у1

где То =■—~ - основная постоянная времени; у- 1ц/1ь с~ Л1/Л2.

Максимальные значения показателей энергетической эффективности различных видов электрических машин позволяют достаточно просто производить их сравнение по критерию электрических потерь энергии.

Коэффициент энергетической эффективности электромеханического преобразователя. Дня оценки энергетической эффективности работы электромеханического преобразователя введен еще один показатель к., - коэффициент энергетической эффективности электромеханического преобразователя определяемый как отношение минимально возможных потерь А1\ опг к фактическим потерям АРЪ при создании одного и того же электромагнитного момента: К=АРъат1АРъ либо к.,-Э1Эйт.

С. помощью коэффициента энергетической эффективности электромеханического преобразователя удобно оценивать алгоритмы управления электромагнитным моментом.

График зависимости коэффициента эффективности от отношения токов статора и ротора у = 1ц/1{ при с - 1{\1Яг=\ и приведен на рис.7. Из данного рисунка видно, что для работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором с максимальной энергетической эффективностью необходимо выполнение следующих условии: 11, И2; ¿1 =/,2; ¿ц =¿22; 1г=1п и 5ш(/?)=1. Данные условия могут быть обеспечены конструкцией электрической машины, схемой ее соединения и соответствующими алгоритмами управления, рассмотренными в гл.2.

На основе показателей, характеризующих эффективность работы электромеханического преобразователя, в таб.1 приводится сравнение электрических машин переменного тока по критерию потерь энергии.

1 1 0,5 к,

/ 1 1 ^^^ 1 . 1

/ 1 с-1 ; / \р=п!2; | ш

0 1 2 3 4 Рис. 7.3ависимость коэффициента энергетической эффективности от отношения токов статора и ротора

Таблица 1

Электрические потери энергии в различных типах машин переменного тока и их сравнительная оценка

Тип электрической машины

Реакгивный электродвигатель

Асинхронный электродвигатель с коро гко-'шмкиутым рот-ром

Синхронный

элекгродинга-

гсль

Среднесга-•тсшческие параметры

машины (приведены в о.с)

■ 1,25 I;'-0.15 Л, -0,0-1 /.,'-0.08

Зависимость дня определении электрических потерь / электромагнитного момент

Асинхронный элекгродпига-и*ль с фазным рагором

Л, - II, -0,0-1;/.,' /-Л -V.' =

Лг'- 0.1;

и'-х«'™

2,5; Ип~

0,25 _

Т^' 1,35; " /.„''-0.8; /., - 0,12, Ц - 0,22; "0,1; /.,' ■■■ 0,075; /(, - 0,030, Л/ -0.020; Яи " 0.0-1. /(,„' - 0.03

/(, -Кг -■

0.04;

1-1

X,'- 0.1;

2,5; К„'-0,25

Л/- -■ /(,•,,'

М- ' 5Ш(2-Д)

Д? - /(, /,' » Иг-12

Ы> = 11,1,'+11/-1/

Л«-//-1г5га(/7) где /.„, --(/.,,-¿„)/2

Покаштель энергетической эффективности

"1

2 2

Л/' (

-ап(2./0 ,

Г >1

К, ■ |,г + Н, •

Максимальное значение показателя энергетической эффективности

Э„„--- = = 13.8 Л,

-___-22.1

2-^2- Л, К,

-2-1.4

для неявнополюенои синхронной машины имеющей симме1рнч-ную магнитную систему

где /<, - (/.,, гА,)/2, /.,,-

Э„„-„ _..-31.2

при -л/2, ..'■«Г Ч*'«»

л-/--/<,•/^/¡■¡¡ыу/)

На рис.8 приведены семейства зависимости полных потерь от значения электромагнитного момента при различных значениях частоты вращения для рассматриваемых электрических машин.

Реактивныи э.пектродвигател ь

С.инхронпыи пне К' троднигатепь

Асинхронный электродвигатель с коротколамкну-тым роторам

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

Реактивный гчектродвигател ь

Асинхронный электродвигатель с кориткошикну-тым ротором Синхронный элек-тродвилипечь

Асинхронны и электродвигатель с фачным ротором

О 0,5 1 1,5

Рис. 8. Семейство зависимостей АР* =/(Л/) при различных т для электрических машин переменного тока

Согласно приведенным зависимостям видно, что меньшие электрические потери на единицу электромагнитного момента у асинхронного электродвига-

теля с фазным ротором. Таким образом, по критерию энергетической эффективности асинхронный электродвигатель с фазным ротором является лучшим.

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

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

Области работы автоматизированной ГЭУ в режиме экономичного хода и в режиме полного хода на механических и электромеханических характеристиках представлены на рис.9. Переход на технологический режим полного хода для ГЭУ с машиной двойного питания осуществляется автоматически в том случае, когда невозможно осуществить управление ГЭУ в режиме экономичного хода. Для швартовного режима, либо режима требующего быстрой отработки управляющего воздействия, используется режим "форсировки".

Рис. 9. Статические механические и электромеханические характеристики при работе автоматизированной ГЭУ л режимах экономичного и полного хода

На рис.10 представлены совместные механические характеристики машины двойного питания ГЭУ и приведенная к валу электродвигателя характеристика винта в свободной воде и при швартовном режиме.

Синтез систем управления ГЭУ осуществлялся методом последовательной коррекции и подчиненного регулирования с настройкой на технический оптимум. Математическое моделирование выполнено в интерактивной среде 8'тшПпк.

Рис. 10. Совместная механическая ха-| рактериетика машины двойного питания ГЭУ и движителя (винта)

Синтез системы управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания по критерию энергетической эффективности. Моделирование работы ГЭУ в режиме экономичного хода

Структурная схема системы управления ГЭУ с машиной двойного питания с двумя контурами скорости и алгоритмом управления с максимальным показателем энергетической эффективности приведена на рис.11.

; Фунщия . | >Хтк4Йд* >

I > Угтишнущкч»- ;

| ¡ИП1 5Л5 Прешло«Т- |

' ! (?осоа) !

Рис. 11. Структурная схема системы управления автоматизированной I ЗУ с машиной двойного питания реализующая алгоритм управления с максимальным показателем энергетической эффективности

Па рис.12 представлены результаты моделирования работы автоматизированной ГЭУ в режиме экономичного хода. Моделирование осуществляется во временной области, а все остальные параметры задаются в относительных единицах.

I, (с) .

Рис. 12 Временная диаграмма моделирования работы ГЭУ с машиной двойною питания и

режиме экономичного хода

Синтез системы управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания по критерию быстродействия. Моделирование работы ГЭУ в режиме полного хода

Структурная схема системы управления автоматизированной ГЭУ с асинхронным электродвигателем при двойном питании с двумя контурами скорости и алгоритмом управления обеспечивающем максимальное быстродействие приведена на рис.13. Данная система управления позволяет осуществлять управление автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания в режиме полного хода с максимальным быстродействием.

Управление и динамические характеристики данного режима практически полностью аналогичны режиму "форсировки" рассмотренному далее.

ЛЧЦД

: Л-КОНГур СИСТЕМЫ упрАВЛсШШ ][ I [ПМП11И-| 1ПЦШ1 11Ж,1 НЯМПГШГ1!№П1иШ;

; Б • кошур 1[ц 1емы управления якиримиг-| ншньш момешом;

; Г1 - первый контур ск^ннш.

; И - ВТорНП КОШур С|;.1||ЦСТи

Рис. 13. Структурная схема системы управления автоматизированной ГОУ с асинхрои-

I иым электродвигателем при двоимом питании с лвумя контурами скорости и алгоритмом управления обеспечивающем максимальное быстродействие

Моделирование технологического режима работы автоматизированной ГЭУ-режима "форгироаки " (режима полного хода)

I. (е)

Рис. 14. Временная диаграмма моделирования раПшы I 1 )У и режиме "форсировкн" (режиме полного хода)

Па представленных результатах моделирования (рис.12 и рис.14) видно, что процессы, протекающие при работе автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания, обладают желаемым динамическим поведением.

Информационное обеспечение системы управления

Рассматриваются уравнения наблюдателя состояния асинхронного электродвигателя с фазным ротором, позволяющего по результатам наблюдения токов статора и ротора производить вычисление токов нагрузки, намагничивания и частоты вращения ротора.

По информации с датчиков токов находятся функции:

С/г ('и*н 'г/УЬ'; ¡тУ^о'; сг~(/|с"»-»2с'УЬ';

Ьа ('М - '2/|'У1о''. "II ЬнУк''> -(»1г'- |'2г')/1д\

где I,,' - {2/3-1(/м'н ¡ы')2+('ш + /мУ-К^А '>У]}1/2;

10* - {2/3 ■[(/,/- ¡и? 1 (/!«- ¡гвУ+Ои:'- ¡2 с')2]}"2-

Данные функции являются основой для формирования токов и скорости вращения:

1</~ 1/3-[(/м'+ ¡гл'Ус/ +(/!«'+ »гя'Ив + (/|с'+ ьс')'сг];

1,/= 1/3-[(/ы'- ¡и)** ¡2н)-ан н (||С"- 12с')'Л'г]; со' 2-а)\'~ А/3-(сА-р5Л+св-р.чнис-рхс).

Эти значения используются в алгоритме управления координатами, который синтезирует управляющие воздействия и,/ и и,'.

Возможные области применения

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

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

2. Для нефтяной и газовой промышленности, позволяя создать безредук-торный, автоматизированный электропривод мощных центробежных компрессоров и насосов.

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

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

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

6. Для привода высокоскоростных центрифуг в ядерной энергетике.

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

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит существенный вклад в повышение эффективности управления технологическим процессом передачи энергии в автоматизированной Г'ЭУ с машиной двойного питания.

Повышение эффективности управления технологическим процессом передачи энергии, в силовом канале автоматизированной ГЭУ достигается благо-

ларя выбору рационального типа электропривода и созданию оптимальных алгоритмов управления.

На основе выполненных в работе исследований получены следующие результаты:

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

2. Выполнен поиск оптимального электромеханического преобразователя на множестве типов электрических машин, выпускаемых промышленностью. Показано, что асинхронный электродвигатель при оптимальном алгоритме управления обладает наилучшей энергетической эффективностью по сравнению с другими видами электромеханических преобразователями. Доказана возможность получения двойной мощности от асинхронного электродвигателя двойного питания при потерях энергии не превышающих номинальные.

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

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

5. Показано что использование редукторной структуры автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания обладает лучшими массогабаритны-ми и энергетическими показателями по сравнению с безредукторной.

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

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

IV. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Научные статьи, опубликованные в изданиях, включенных в Перечень

ВАК Минобрнауки РФ

1. Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А. Алгоритмы управления асинхронным электродвигателем при двойном питании//Электроиика и электрооборудование транспорта. - 2008, - №3. - С.32 - 36.

Научные статьи в других изданиях

2. Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А. Оптимальное управление асинхронным электродвигателем с фазным ротором. Сб. "Труды V международной (XVI всероссийской), конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007". - СПб.: СПГПУ, - 2007. - СЛ19 -122.

3. Гельвер Ф.А. Активный преобразователь как средство повышения энергетической эффективности систем электропривода/ЛГруды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников СИГУВК 1-7 июня 2005 г, Т. 1. - СПб.: СПГУВК, - 2005. - С Л 00 - 104.

4. Гельвер Ф.А. Уравнения индуктора и якоря асинхронной машины при питании статора и ротора от одного преобразователя чаетоты//Труды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2006 г. Т. 1. - СПб.: СПГУВК, - 2006. - С.166 - 169.

5. Гельвер Ф.А. Применение активного преобразователя в системах регулируемого электропривода//Трудьг научной конференции студенток и аспирантов - СПб.: СПГУВК, - 2004. - С.107 -111.

6. Гельвер Ф.А. Синхронный режим работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором//Труды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2006 г. Т.1. - СПб.: СПГУВК, - 2006. -С.162- 166.

7. 1 'ельвер Ф.А., Ногин Д.А. Т-параметры асинхронного двигателя/ЛГруды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников С11ГУВК 17 июня 2006 г. Т. I. - СПб.: СПГУВК, - 2006. - С.170.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 30.04.09 Сдано в производство 30.04.09 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,74. Уч.-изд. л. 1,5. _ _ _ _ _Тираж_60_экз:_ _ Заказ № 62 _ _ _ _

..Санкт-Петербургский государственный унинсрситст водных коммуникаций 198035, Санкт-Петербург, ул. Диинская, 5/7

Отпечатано в 1111101 рафии Ф 1'ОУ НПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал. ?

Введение.

Глава 1. Анализ путей совершенствования гребной электрической установки.

1.1 Анализ областей применения гребных электрических установок.

1.2 Сравнительный анализ электромеханических преобразователей, применяемых в гребных электрических установках.

1.3 Сравнительный анализ структурных схем и путей повышения показателей качества гребных электрических установок.

1.4 Выводы по главе 1.

Глава 2. Синтез алгоритмов управления машиной двойного питания гребной электрической установки.

2.1 Анализ способов управления электромеханическим преобразователем при двойном питании.

2.2 Динамическая модель электромеханического преобразователя

2.3 Синтез алгоритма управления по критерию энергетической эффективности.

2.4 Алгоритм управления на границе допустимых значений управляющих воздействий.

2.5 Статические характеристики привода ГЭУ при управлении по критерию энергетической эффективности.

2.6 Выводы по главе 2.

Глава 3. Оценка энергетической эффективности алгоритмов управления ГЭУ.

3.1 Структура потерь энергии в машине двойного питания.

3.2 Анализ основных показателей энергетической эффективности электромеханических преобразователей ГЭУ.

3.3 Сравнительный анализ гребных электромеханических преобразователей по критерию потерь энергии.

3.4 Выводы по главе 3.

Глава 4. Моделирование динамических процессов управления ГЭУ.

4.1 Синтез системы управления ГЭУ по критерию энергетической эффективности.

4.2 Синтез системы управления ГЭУ на границе допустимых значений управляющих воздействии.

§4.1. Информационное обеспечение системы управления ГЭУ.

4.3 Моделирование динамических процессов работы ГЭУ в различных эксплуатационных режимах.

4.4 Рекомендации возможных областей применения электропривода с машиной двойного питания.

4.5 Выводы по главе 4.

В настоящее время в качестве движительного комплекса судна широкое применение находят гребные электрические установки (ГЭУ), которые по ряду эксплуатационных параметров имеют неоспоримые преимущества по сравнению с установками, имеющими механическую передачу от теплового двигателя к валу винта. Особенно данная тенденция постройки и модернизации наблюдается для судов специального назначения, для которых гребная электрическая установка является единственным типом установки, удовлетворяющим жестким требованиям эксплуатационного характера.

Вопросами изучения проектирования и эксплуатации систем электродвижения уделяется большое внимание. Разработкой и совершенствованием заняты все ведущие страны в области судостроения такие как: Германия, Англия, США, Финляндия, Канада, Голландия, Франция, Япония, Италия [94, 100, 103, 104]. В России системы электродвижения судов применяются на судах военно-морского флота, ледового плавания, буксирных судах и на некоторых типах рыбопромысловых судов [2, 26, 46, 78].

При создании судовых систем электродвижения возникает проблема обоснованного выбора типа гребного электродвигателя. Указанной проблеме посвящено множество публикации и исследований [10, 15, 33, 47, 66, 83] что свидетельствует о ее актуальности.

Электрическая технология передачи энергии от двигателя к движителю достаточно сложна. Она включает в себя выработку электроэнергии, ее преобразование для управления электродвигателем и согласование движений электродвигателя и движителя. При этом возникает необходимость решения проблем связанных с обеспечением качества электроэнергии для снабжения других потребителей. Проблема выработки электроэнергии сегодня решена, и альтернативы использованию синхронных генераторов в настоящее время нет. С развитием силовой электроники и микроэлектроники успешно решается проблема преобразования электрической энергии. Наибольшее многообразие имеют задачи, связанные с выбором электродвигателя и типом передачи энергии к движителю, а также алгоритмов управления ими. При этом основным и важнейшим критерием управления электрическими установками является показатель энергетической эффективности.

Повышение энергетической эффективности при управлении гребной ч электрической установкой ведет к уменьшению габаритов и массы источников электроэнергии вызывает удешевление эксплуатации судна и увеличению автономности плавания. Побочным эффектом повышения энергетической эффективности становится снижение массы и занимаемой площади гребной электрической установки, что дополнительно обеспечивает увеличение используемой грузоподъемности.

Повышение энергетической эффективности является одним из приоритетных направлении технической политики не только в области судостроения, но и в других областях науки и техники. В нашей стране действует Федеральный закон РФ "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности" предусматривающий введение нормативов энергоэффективности устройств и внедрение энергосберегающих технологий и энергосберегающего оборудования во всех сферах хозяйства. Таким образом, проблема энергосбережения является не только актуальной, но и требующая обязательного квалифицированного решения.

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

В данной диссертационной работе рассмотрена гребная электрическая установка, включающая в свой состав высокооборотную машину двойного питания и редуктор. В работе приводятся количественные и качественные оценки данной структуры электропривода, особое внимание уделено повышению энергетической эффективности работы электромеханического преобразователя. Приводятся доказательство того, что асинхронная машина с идентичными параметрами статора и ротора при двойном питании обладает лучшими энергетическими показателями по сравнению с электрическими машинами других типов.

Исследованию машин двойного питания посвящено множество работ отечественных ученых таких как: В.Т. Касьянов, В.А. Толвинский, С.М. Гох-берг, A.M. Бамдас, Т.П. Губенко, Д.В. Васильев, Н.Н. Шакарян, Г.М. Онищен-ко, И.Л. Локтев, B.C. Ракита и др. В работах этих ученых разработана общая теория машин двойного питания и обозначены перспективы их применения. Однако их анализ показывает, что энергетические свойства и алгоритмы управления изучены недостаточно. В проанализированных работах практически полностью отсутствует исследование работы машины двойного питания при параллельном соединении обмоток статора и ротора с идентичными параметрами.

В данной диссертационной работе излагается новый подход к математическому описанию асинхронной машины двойного питания при параллельном соединений обмоток статора и ротора с идентичными параметрами. Предложена форма записи уравнении асинхронной машины с фазным ротором, которая полностью аналогична уравнениям двигателя постоянного тока с отдельным описанием частей индуктора и якоря. Данные уравнения позволяют более просто производить анализ и синтез системы электропривода построенного на базе асинхронной машины с фазным ротором при питании статора и ротора от одного электрического преобразователя. Разработаны алгоритмы управления ГЭУ с машиной двойного питания по критериям энергетической эффективности в режиме экономичного хода и обеспечению максимального быстродействия в режиме полного хода. Для оценки алгоритмов управления машиной двойного питания ГЭУ разработана методика оценки эффективности управления по критерию потерь на единицу электромагнитного момента.

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

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

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

2) Выполнен поиск оптимального электромеханического преобразователя на множестве типов электрических машин, выпускаемых промышленностью при оптимальном управлении по критерию энергетической эффективности.

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

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

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

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

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

Научную новизну имеют следующие основные результаты и положения диссертационной работы:

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

2) Математическая модель машины двойного питания, отличающаяся тем, что исходные уравнения с периодическими коэффициентами преобразованы в уравнения с постоянными коэффициентами и выделены уравнения якоря и индуктора.

3) Синтез алгоритмов оптимального управления машиной двойного питания автоматизированной ГЭУ, обеспечивающих максимальное значение показателя энергетической эффективности.

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

Практическая ценность полученных результатов:

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

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

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

4) Создана информационная база данных составных элементов гребных электрических установок.

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

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

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

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

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

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

Апробация работы. Основные результаты работы изложены в трудах V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2007" (г. Санкт-Петербург, 18-21 сентября 2007 г.); на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых сотрудников СПГУВК 2004-2006 гг.; на заседаниях секции НТС ФГУП "ЦНИИ СЭТ" в 2007 и 2008 гг. Результаты работы использованы в техническом проекте "Электропривод подруливающего устройства фиксированного шага ЭПУ60-380 ОМ5.1", и опытно-конструкторской работе "Разработка технологий производства асинхронных электродвигателей от 2,2 кВт до 30 кВт для работы на глубоководных спускаемых аппаратах глубиной до 7000 метров".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе две из них опубликованы в издании, рекомендованном ВАК и одна статья в сборнике трудов V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2007" (г. Санкт-Петербург, 18-21 сентября 2007 г.). Кроме того, результаты, связанные с внедрением работы, изложены в пояснительных записках технического проекта и отчета по НИР ФГУП "ЦНИИ СЭТ".

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 135 страницах основного текста, содержит 52 рисунка и 4 таблицы. Список использованных источников включает 105 наименования и занимает 12 страниц.

4.5 Выводы по главе 4

Построена и исследована математическая модель ГУЭ с машиной двойного питания при различных законах управления и различных технологических процессах. На представленных результатах моделирования процессы, протекающие при работе ГЭУ с машиной двойного питания, обладают желаемыми динамическими и статическими характеристиками. Рассмотрены режимы экономичного и полного хода, а также режим "форсировки" используемые в зависимости от требований технологического процесса управления ГЭУ. Данный тип электропривода ГЭУ с машиной двойного питания совместно с электрическим преобразователем и системой управления позволяет обеспечить высокие энергетические показатели и гибкие регулировочные характеристики при сохранении высокой энергетической эффективности.

На основе анализа результатов математического моделирования представлены основные достоинства и недостатки электропривода с машиной двойного питания. Показаны возможности применения электропривода с машиной двойного питания в различных областях техники.

Заключение

В диссертации изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение эффективности управления технологическим процессом передачи энергии в ГЭУ с машиной двойного питания.

Рассмотренный гребной электропривод с машиной двойного питания является не только энергосиловой основой ГЭУ, позволяющей обеспечить движитель необходимой механической энергией, но и средством управления технологическими режимами работы. Повышение эффективности управления технологическим процессом передачи энергии в силовом канале ГЭУ достигается благодаря выбору рационального типа электропривода и созданию алгоритмов управления, обеспечивающих управление ГЭУ в режимах экономичного хода с максимальным показателем энергетической эффективности и режиме полного хода с максимальным показателем быстродействия электропривода.

На основе выполненных в работе исследовании получены следующие результаты:

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

2. Выполнен поиск оптимального электромеханического преобразователя на множестве типов электрических машин, выпускаемых промышленностью. Показано, что асинхронный электродвигатель при оптимальном алгоритме управления обладает наилучшей энергетической эффективностью по сравнению с другими видами электромеханических преобразователями. Доказана возможность получения двойной мощности от асинхронного электродвигателя двойного питания при потерях энергии не превышающих номинальные.

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

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

5. Показано что использование редукторной структуры автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания обладает лучшими массогабаритны-ми и энергетическими показателями по сравнению с безредукторной.

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

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

Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы использованы в технических проектах и научно исследовательских работах ФГУП "ЦНИИ СЭТ".

1. Аванесов В.М., Кудинов П.Н. Оптимальное управление автономным инвертором напряженияЮлектротехника. 2000. - №4.

2. Айзенштадт Е.Б. Электродвижение судов. Обзоры и анализы по судовой электротехнике и связи//Судостроение. 1969. - Вып.11.

3. Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления. Мн.: Дизайн ПРО, - 2002.-352 с.

4. Артишевская С.В. Экспериментально-аналитический метод определения параметров асинхронных машин//Электричество. 1999. -№11.

5. Асинхронные трехфазные электродвигатели общепромышленного Применения: Каталог продукции / ОАО "ЗВИ".

6. Бергер А.Я. Вопросы экономики при проектирований электрических машин М.: Высш. шк., 1967 - 84 с. ил.

7. Болдов Н.А. Метод определения основных параметров тяговых электромашин применительно к минимальному весу на единицу мощно-сти//Электричество. 1961. - №9.

8. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. Пособие для студ. высш. учеб. заведений. — М • Академия, 2004. - 256 с.

9. Буланже А.В. Палочкина Н.В., Фадеев В. 3. Методические указания по расчету на прочность цилиндрических и конических зубчатых передач. М.: Изд-во МГГУ, 1990.

10. Верёвкин В.Ф. Гребные электрические установки малотоннажных су-дов//Труды НТО Судпрома им. ак. А.Н.Крылова: Вопросы теории, проектирования и электродвижения судов. JL, 1971.- Вып.163.

11. Верёвкин В.Ф., Исаков А.В., Супрун Ю.Т. Сравнительный анализ надежности электрических движительно-двигательных комплексов малотоннажных плавсредств с аккумуляторными энергоустановками/Тез. докл. региональной НТК. Владивосток, 1990. - С.41 - 42.

12. Веретенников П.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы. Л.: Судостроение, - 1985. - 670 с.

13. Вольдек А.И. Электрические машины. Учеб. для студентов высших технических учебных заведений. Л.: Энергия, - 1978. - 832 с.

14. Вопросы проектирования подводных лодок. Электроэнергетические системы. Л.: ФГУП "ЦКБ МТ "Рубин", Выпуск 12.

15. Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Крутяков Е.А., Пронин М.В. Математические модели приводов с асинхронными машинами с фазным и короткозамкнутым ротором и устройствами плавного пуска. Сб. "Электросила", СПб, - 2002. -№41.

16. Гельвер Ф.А. Активный преобразователь как средство повышения энергетической эффективности систем электропривода//Труды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2005 г, Т. 1. -СПб.: СПГУВК, 2005. - С. 100 - 104.

17. Гельвер Ф.А. Применение активного преобразователя в системах регулируемого электропривода//Труды научной конференции студентов и аспирантов -СПб.: СПГУВК, 2004. - С. 107 - 111.

18. Гельвер Ф.А. Статический датчик частоты вращения для электрических машин постоянного тока/Сб. научных трудов. Выпуск 12. СПб.: СПГУВК, -2004.-С.ЗЗ -36.

19. Гельвер Ф.А. Синхронный режим работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором//Труды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2006 г. Т.1. СПб.: СПГУВК, - 2006. - С. 162 -166.

20. Гельвер Ф.А., Ногин Д.А. Т-параметры асинхронного двигателя//Труды научно-технической конференции молодых ученых сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2006 г. Т. 1. СПб.: СПГУВК, - 2006. - С. 170.

21. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. — СПб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. - 304 с.

22. Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА принт, - 2003. - 256 с.

23. ГОСТ 21354-67. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность. М.: Изд-во стандартов, - 1987.

24. Григорьев А.В., Глеклер Е.А. Результаты ходовых испытаний единой электроэнергетической установки малого гидрографического судна "Вай-гач'7/Судостроение. 2008. - №1.

25. Демирчан П.А., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М.: Высшая школа, - 1992. -335 с.

26. Дьяков В.И. Типовые расчёты по электрооборудованию: Практическое пособие -М.: Высш. шк., 1991. - 160 с.

27. Завод крупных электрических машин: Каталог продукции. СПб, - 2004.

28. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. — М.: Энергия, 1980.-928 с.

29. Изосимов Д.Б., Попов С.Д., Клочков О.Г. Вопросы построения перспективного асинхронного тягового привода. Часть I. Методика предпроектной оптимизации асинхронных двигателей для регулируемого тягового приво-да//Приводная техника. 2005. - № 1.

30. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода: Учеб. пособие для вузов М.: Издательство МЭИ, - 2003. - 224 с.

31. Исследование путей совершенствования корабельных гребных электрических установок. Л.: в/ч 27177, - 1966.

32. Казанский В.М., Сабинин Ю.А., Малинин JI.M. Анализ требовании к электромеханическим модулям постоянного тока промышленных робо-товЮлектричество. 1983, - №2. - С.9-11.

33. Кононенко В.В., Мишкович В.И. Электротехника и электроника: Учеб. пособие для вузов Ростов на Дону: Феникс, - 2005, - 752 с.

34. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов М.: Высш. шк., - 1987. — 248 с.

35. Копылов И. П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, - 1986. — 360 с.

36. Копылов И.П., Мамедов Ф.А. Математическое моделирование асинхронных машин. М.: Энергия, - 1969. - 96 с.

37. Крайберг М.И., Загорский А.Е. О применении электродвигателей повышенной частоты в автономной системе приводов//Электричество. 1966. - № 8.

38. Кривицкий С.О., Эпштейн И.И. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами. М.: Энергия, - 1970. - 352 с.

39. Ленинградский электромашиностроительный завод: Номенклатурный каталог / ЛЭЗ-Новая сила, СПб.

40. Луковников В.И., Веппер Л.В. и др. Математическая модель трехфазного асинхронного двигателя с продольно-поперечной несимметрией источника пи-тания//Электричество. — 1999. №8.

41. Материалы межведомственных испытаний электродвигателя асинхронного гребного типа АДР-2000-6, ОАО Электросила, СПб.

42. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, - 2003. - 400 с.

43. Мещеряков В.Н., Петунин А.А. Структурно-топологический анализ моделей вентильного индукторного и асинхронного двигателей//Электротехника. — 2005. № 7.

44. Михайлов В.А., Рукавишников С.Б., Фрейдзон И.Р. Электродвижение судов и электропривод судовых механизмов. Л.: Судостроение, - 1965. - 606 с.

45. Никифоров Б.В., Темиров А.П., Шишкин Д.Ю. Эксперементальные исследования шума и вибрации в вентильно-индукторном приводе. Сб. "Вопросы проектирования подводных лодок", выпуск 12. ФГУП "ЦКБ МТ "Рубин", -СПб, 2000.

46. Онищенко Г.М., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, - 1979. - 200 с.

47. Пиотровский JI. М. Электрические машины. Л.: Государственное энергетическое издательство, - 1960. - 532 с.

48. Погружные электродвигатели со встроенными редукторами. "Elektroteclin und Maschinen bou", 1982, - № 4.

49. Полуянов A.H. Влияние частоты на размер асинхронных двигате-лей//Электричество. 1936, - № 2.

50. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи. СПб.: Электросила, - 2003. - 172 с.

51. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Емельянов А.П. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение). СПб.: Электросила, - 2004. -252 с.

52. Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорокович А.Е., Электрические машины: Асинхронные машины: Учеб. для электромех. спец. вузов М.: Высш. шк., - 1988. -328 с.

53. Разработка технологий производства асинхронных электродвигателей от 2,2 кВт до 30 кВт для работы на глубоководных спускаемых аппаратах глубиной до 7000 м тема "Глубина" КЛГИ. 650066.001 ПЗ, ЦНИИ СЭТ. СПб, - 2008.

54. Разработка электродвигателя для регулируемого электропривода переменного тока движительно-рулевого комплекса и насосов гидравлики ОПА "Консул" ДАП80-4 ОМ5 КРЮС 527.114.007 ТП, Техэлектро. Псков, 2008.

55. Ракита B.C. Асинхронная машина двустороннего питания//Научные записки львовского политехнического института. — 1954, №7. — С. 37 - 63.

56. Редукторы и мотор-редукторы общепромышленного применения: Справочник / JI.C. Бойко, А.З. Высоцкий, Э.Н. Галиченко и др. М.: Машиностроение, -1984. - 247 с.

57. Редукторы мотор-редукторы: Номенклатурный каталог / "ТЯЖМАШ". -СПб.

58. Редукторы судовых турбоагрегатов: Справочное пособие / О.А. Пыж, JI.M. Гаркави, Ю.А. Державец, P.P. Гальпер. JL: Судостроение, - 1975. - 272 с.

59. Редукторы энергетических маши: Справочник / Под общ. ред. Ю.А. Дер-жавца. Л.: Машиностроение, - 1985 - 232 с.

60. Редукторы: Номенклатура выпускаемых редукторов / ОАО "Майкопский редукторный завод ЗАРЕМ".

61. Редукторы: Справочное пособие / Г.Н. Краузе, Н.Д. Кутилин, С.А. Сыцко. -Л.: Машиностроение, 1972. - 144 с.

62. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, - 1990.

63. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, - 1987. - 136 с.

64. Руководство по проектированию компактных пропульсивных комплесковг

65. Азипод»//АВВ Industry Оу.- Helsinki; Finland, 2000,- 43 с.

66. Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А. Алгоритмы управления асинхронным электродвигателем при двойном питанииЮлектроника и электрооборудование транспорта. 2008, - №3. - С.32 - 36.

67. Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А. Оптимальное управление асинхронным электродвигателем с фазным ротором. Сб. "Труды V международной (XVI всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007". -СПб.: СПГПУ, 2007. - С. 119 - 122.

68. Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А. Оценка энергетической эффективности работы электромеханического преобразователя//Электроника и электрооборудование транспорта. 2009, - №2-3. - С.44 - 46.

69. Самосейко В.Ф. Теоретические основы управления электроприводом: Учебное пособие. СПб.: Элмор, - 2007. - 464 с.

70. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Частотное управление асинхронными двигателями. Л.: Энергия, - 1966. - 144 с.

71. Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода: Безре-дукторный электропривод. М.: Энергоатомиздат, - 1988. - 208 с.

72. Системы электродвижения на основе вентильных двигателей. Сб. "Вопросы проектирования подводных лодок". Вып. 12, 2000.

73. Скворцов Б.А., Лазаревский Н.А. Гребной электродвигатель переменного тока двойного питания с электромагнитной редукцией частоты вращения. Сб. "V международной научной конференции". СПб. - 2007. - С. 228-231.

74. Скворцов Б.А. Гребной электродвигатель переменного тока на основе машины двойного питания с электромагнитной редукцией частоты вращения. ФГУП "ЦНИИ СЭТ", СПб.

75. Скворцов В.А., Берестов А. Тенденции в развитии транспортных средств с использованием электрического привода//Силовая электроника. 2004. - № 1.

76. Создание электродвигателя для электропривода подруливающего устройства с гребным винтом фиксированного шага ДАП-300 ОМ* тема "Грунт-1" КРЮС 527.114.008 ТП, Техэлектро. Псков, 2008.

77. Создание электропривода подруливающего устройства с гребным винтом фиксированного шага ДАП-300 ОМ* тема "Грунт-1" КЛГИ 435321.007 ТП, ЦНИИ СЭТ. СПб, - 2008.

78. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, - 1983. - 616 с.

79. Справочник по электрическим машинам / Под ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т. 1. М.: Энергоатомиздат, - 1988. - 456 с.

80. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. Пер. с польск. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 136 с.

81. Техническое предложение по выбору системы электродвижения перспективных дизельных подводных лодок. ФГУП "ЦНИИ СЭТ", СПб, - 2000.

82. Томилин С.А., Ясаков Г.С. Математические основы выбора типа регулируемого электрического привода в корабельных и судовых электроэнергетических системах//Электрофорум. 2003, - №5.

83. Хрисанов В.И. Математическая модель асинхронных машин в фазных осях статора//Электротехника. 2004. - №7. - С. 23-31.

84. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов — М.: Энергия, 1979. — 616 с.

85. Электрические машины и аппаратура: Номенклатурный каталог / АООТ "СИЛА". СПб, - 1995.

86. Электрические машины и аппараты: Номенклатурный каталог / ОАО "Электросила", СПб, - 1998.

87. Электрические машины: Каталог электродвигателей / Группа компаний "ЭЛКОМ". 2005.

88. Электродвигатель асинхронный типа АДР-550-4 ТУ 3337-177-057579082004, ОАО Электросила, СПб.

89. Электротехнический справочник / Под ред. И. Н. Орлова. Т. 2. М.: Энерго-атомиздат, - 1986. - 712 с.

90. Юн С.Г. Применение методов экспертных оценок в задачах выбора. Методические указания, НГТУ, Новосибирск, 2006.

91. Ястребов B.C., Горлов А.А., Симинский В.В. Электроэнергетические установки подводных аппаратов. — Л.: Судостроение, 1987. - 208 с.

92. Dirr R., Neuffer I., Schluter W., Waldmann H., "Neuartige elektronische Rege-leinrichtungen fur doppelgespeiste Asynchronmotoren grosser Leistung," Siemens Z., №5,- 1971, P. 362-367.

93. Journal of the American Soc. of Naval Engrs, Vol. 74, № 1, 1962, P. 19-22.

94. Hirotoshi К., "Oil-filled direct motors for deep-sea vehicles," Vol. 43, №7, -1969, 112 p.

95. Kojima M., Hirabayashi K., Kawabata Y., "Novel vector control system using deadbeat-controlled PWM inverter with output LC filter," ШЕЕ TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 40, № 2, 2004, P. 162-169.

96. La Marine Italiana, №11, 1965, P. 285-295.

97. Marelli, № 1, 1966, P. 41-50.

98. Matsuse K., Kawai H., Kouno Y., "Characteristics of speed sensorless vector controlled dual induction motor drive connected in parallel fed by a single inverter," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 40, № 2, 2004, P. 153-161.

99. Naval Engrs Journal, Vol. 76, № 1, 1964, P. 13-20.

100. Plunkett A.B., Lipo T.A. "New methods of induction motor torque regulation," Conf. Rec. Ninth Annu. Meet. IEEE Ind. Appl. Soc. Pittsburgh, № 7, 1974, p. 837844.

101. Under sea technology, №10, 1969 98 p.

102. Zoshen Kyokai, № 41,- 1966, P. 381-387.

103. Zoshen Kyokai, № 109, 1963, P. 505-515.

104. Zoshen Kyokai, № 112,- 1963, P. 209-214.