автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Алгоритмы оптимального управления гребной электрической установкой с машиной двойного питания

9 —

* 491

1-1 а правах рукописи

I ■ /

' V

/

Гсльвер Фёдор Андреевич

АЛГОРИТМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕС КОЙ УСТАНОВКОЙ С МАШИНОЙ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

Специальность 05.04.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Самоеейко Вениамин Францевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Соколовский Георгий Георгиевич

кандидат технических паук Калачиков Павел Николаевич

Ведущая организация:

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

Защита состоится « 27 » ноября 2009 года в 15 0 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 26 » октября 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертации

М. П. Белов

Р О С С 11 й с К Л я ГОСУДАРСТВЕННАЯ

Е И Б Л 1: О Т Е К Д _ 2 О ■ О__3

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

При создании судовых систем электродвижения возникает проблема обоснованного выбора типа передачи энергии к движителю и выбора типа электромеханического преобразователи электропривода гребного впита, п также алгоритмов управления ими. При этом одним из основных п важнейших критериев управления элек трическими 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, п 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 н 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 энергоспловоп основой ГЭУ, позволяющей обеспечить движитель необходимой механической энергией, по п средством управления технологическими режимами работы ГЭУ, гак как задачи по реализации качества работы электроустановок в настоящее время в большинстве случаев возлагаются па систему управления.

Цслыо 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 но 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 исследовании. 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.

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

Практическая ценность полученных результатов:

1) Методика оценки качества алгоритмов управления электромеханическими 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, н 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 движнтельную 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, ио и применение в различных областях техники.

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

Положении 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 и режимах экономичного н полного хода, обеспечивающие максимальные значения показателей энергетической эффективности и быст родействия соответственно.

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

Апробация работы. Основные результаты работы изложены: в трудах V международном (XVI Всероссийской) конференции но автоматизированному электроприводу "АЭП-2007"; на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых сотрудников СТ1ГУВК 2004-2009 гг.; па заседаниях секции НТС ФГ'УП "ЦНИИ СЭТ" в 2007 и 2008 гг.

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

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

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Но 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 па защиту, и практическая ценность полученных результатов диссертационной работы.

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

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

Важными факторами ГЭУ являются энергетические и массогабарнтные показатели. Уменьшить габаритные размеры и стоимость электрических машин можно за счет повышения частоты их вращения. Но чем выше частота вращения двигателя и меньше масса, г абаритные 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 200+300 оборотов в минуту и зависит от технических характеристик и параметров самого винта. При рассмотрении различных типов электромеханических преобразователей ГЭУ по ряду показателен качества установлено, ч то асинхронный электродвигатель с фазным ротором по сравнению с другими электромеханическими преобразователями обладает лучшей энергетикой, что особенно актуально для автономных систем, к которым относятся системы электродвнжения. 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 безредукторного 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 ко торой входит машина двойного питания и редуктор.

На рис. 1 представлены зависимости относительной массы безредукторных и редук-

10

и

9

| вариант ГЭУ при 3 - - Пдн^ЗООО об/мин

6

7

В

2

5

от,„, к? (кНА)

I

5

торных вариантов построения ГЭУ. Из данных графиков следует, что по маесогабаритным показателям, безредукторные ГЭУ уступают редукторным. 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).

о

I I ^ I ■ » "->

~-!-!-!-!-—►

2 3 4 5 6 7 ММ

вопросам математического описания асинхронной машины с фазным ротором при двойном

Вторая глава посвящена

Рис. 1. Зависимости относительной массы

безредукторных и редукторных ГЭУ

шпации и синтезу алгоритмов управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного пшаипя, nu кршерням энергетической эффективности н быстродействия.

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

Преобразователь частоты (114) позволяет синтезировать симметричные трехфазные еннуеондши.иые напряжения:

»1 COS(fl), í + ip)

l's = =u,. COS(fl), 1 +tp- p)

II,. cos(w, t + ip t p)

Рне. 2. Схема питания ротора и статора асинхронного элекзродвпгателя от одного электрического преобразователя

где Iр- начальная фаза напряжения, р~2-тг/З; LJ] - амплитуда напряжения на выходе преобразователя частоты; rui - угловая частота напряжения.

Последовательность чередования фаз обмотки статора будем считан, прямой, а у ротора - обратной. Следует отметин., что если обмотки статора и ротора имеют одинаковую последовательность чередования фаз, то ноля статора и ротора будут вращаться с одинаковой скоростью ю\ в одном направлении, а ротор будет неподвижным. Сели обмотки статора и ротора имеют различную последовательность чередования фаз, то поля статора и ротора будут вращаться с одинаковой скоростью ы\, по в различных направлениях, а ротор будет вращаться с двойной угловой скоростью ю=1-со\.

Математическая модель асинхронного электродвигателя с мапштосвязан-нымн обмотками статора и ротора может быть представлена схемой замещения представленной на рис.3. На дайной схеме Rj = Tis ! и Rr = Är■ 1 - матрицы активных сопротивлений фаз статора и ротора соот-остстлешю; Ls = Ls-1 и LR = ¿R-l - матри-

ротор

Рис. 3. Схема замещения обмоток статора и ротора асинхронной машины

цы нпдукпшпоеген рассеяния фаз статора н ротора соответственно.

Матрицы основных н взаимных индукптпостен обмоток обобщенной машины, учитывая симметрию магнитной системы п обмоток, можно переписать в следующем виде:

Lss LsrW

bK.s(r) IjRH

/-ss-Ds' »s ¿SR-I)ST-V(y)-DR

írs-Drt-V(P')t.Ds ¿rr-Dr''Dr

где /.ss » »V'/U ¿sr 7= ¿hs ~ чъ-нъ-Л«; £rr = m'r2,¿«; Яц - основная магнитная проводимость; I)s, 1)r - фазные матрицы обмоток статора и ротора; ii's и h'r - эквивалентное число витков фазных обмоток статора н ротора, равное произведению числа витков фазных обмоток на обмоточный коэффициент; V(p) -матрица вращения; у=ш - угол поворота ротора, рад; ш -угловая скорость вращения ротора, рад/с.

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

1]8=%18+Ь88-.Р18+ Р (^К'1!«);

ИК=НК-1К+ЬКК7ЛК+ р (Г^й), (''

гдер - оператор дифференцирования переменной по времени л

Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя определяется выражением:

В д

М — Ь8к(^)-1в=-1кт-—-ЬиМ-^. (2)

ду ду

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 и,у связаны с векторами в естественной системе координат соотношениями:

и 1=2/«)-У( «>| -/)т- Оз-Ив; 11= 2/«г У(а>1 •//•О^Ь;

II2= 2//?-(11'хЛ|',()'У(^-/)Т'11а-1!я; 12= 2/ш<1|Ун'Л')-У(й*/)т.Ок-и.

Векторы 11|, Иг, 1|, Ь характеризуются двумя координатами на плоскости:

II1= щ„ ; U2= »2,, ; 1.= 'ы ; i2= h„

Luiv. ["2,1 Uv_ L'2vJ

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

1)2 = НгЛг+тг-ЬгтЪЛг+Ьп-рЬ+вЪ-Ц'Ъ-Ь+Ц'рЬ, где ¿11 =1о+¿1; ¿22 =Ьо+1г-

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

М=(ш/2).1„-1|Т-Е-Ь. (4)

Уравнения, записанные для двухмерных векторов в осях координат ы,у, можно переписать в комплексной форме записи путем формальной замены Е на мнимую единицу у, а векторы III, Иг, 1ь на комплексные переменные:

Й1= мк/+у-иц'> Ш= ПиУ-Щу, ¿1=£2='21/+/-'2Г.

Тогда уравнения в осях координат и, V в комплексной форме записи:

U, = Л,-1, +/a)i-Ln-Ii + Ц\-р1\ + j-m\-Lvh + Uph\ U2=%b + Г<01-1г1-]2 + Llrph +/a»2'io-Ii + Lvpli.

Электромагнитный момент в комплексных переменных определяется:

(5)

М= j -J-Loilrh-lrh) =1 o-[Im(I,)-Re(bbRe(ii)-Im(b)], (6)

где I - сопряженное комплексное число I; Re(I_) - действительная часть числа I; lm(I) - мнимая часть числа I.

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

М = 1 ;/•/.,|-iT-IC-i = /.ii-lm(iT)-ICRc(I).

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

и| = и|-ехр(/» = Ц,+/и,;

il,=UrUl-exp(-/V>) = U,/-/4J,), где 11,г= U cos ((л); Ц, = lli-sin(^). Комплексная амплитуда U| связана с комплексом действующего значения U\ соотношением: U| = Uy^jl.

Динамика электромагнитных процессов описывается дифференциальными уравнениями:

U, =«i li •»•/iO|-/.u-ii + ^ny'Iiгю\-иАл + U-ph'. Ui - «2-Ь + Lu-ph +.i'iorLr[\ + uph.

Будем полагать, что обмотки статора и ротора имеют одинаковые параметры: R[=Rz= R:!..[ /.и /.11. При равенстве параметров статора и ротора несложно установить, что токи статора и poiopa связаны соотношениями Ь = Ь и Ь = ||. Тогда уравнения примут следующий вид:

Hi = «1I1 +./'M|iirli + Ц\р1\ + J-(o\-Lr[\ + U-pl\\

ill - /ii L + £ц-/Л| -/ffJi'/.D-Ii + ¿«-/Hi.

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

Ii = l, /+./■!,; b = ii = l,/-7'V (9)

Графическая иллюстрация связен между векторами токов представлена на рнс.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:

i:,/ 11!,/ m-L^+LrpU (Ю)

U, (Н)

где = Ц= /.j; £,/= ЪЦ\ + Ц « 2-Ц. При этом электромагнитный момент машины можно записать в следующем виде:

М =./■( l/2)-LA\-h -irk) = 2-La-\,r\f(bi-L4W4 *> (12)

Новые уравнения записаны в скалярной форме и имеют второй порядок. Индуктивность L4 много меньше индуктивности L,/. Значение Lq = L\ составляет всего около двух процентов от индуктивности Lj ю2-£и. Полученные уравнения аналогичны уравнениям машины постоянного тока. Первое уравнение является уравнением индуктора и аналогично уравнению цепи обмотки возбуждения машины постоянного тока, а второе - обмотки якоря.

1'нс. 4. Векторная диаграмма токов и напряжений

Алгоритм управления машиной двойного питания по критерию энергетической эффективности

Управление, обеспечивающее максимальный коэффициент энергетической эффективности А,= 1 заключается в обеспечении заданного электромагнитного момента с минимальными потерями энергии в обмотках статора и ротора.

Согласно уравнению электромагнитного момента (12) и условию 1/+1,," = 1/* в гл.З показано, что для управления ГЭУ с машиной двойного питания с максимальным коэффициентом энергетической эффективности необходимо, чтобы выполнялись условия: 1] = 12, /3=т1 (или 1,/=1,). Добиться равенства можно путем воздействия на вектор напряжения ¡¿1 при ш\ =ш/2.

Полагая в уравнениях (10) и (11) р=0, 1,/ =1(/. ш\ =ш2 и М =А/ '1.; -1./ . находим формулу для статической механической (электромеханической) характеристики машины двойного питания при управлении с максимальным коэффициентом энергетической эффективности:

Л/=и,'Ч// [(«' - ¿,,"'ш'/2Г+(й' +

Ц-ыЛ)1]. При управлении с максимальным коэффициентом энергетической эффективности статические механические характеристики электродвигателя при двойном питании (рис.5)

максимальным коэффициентом энергетической аналогичны характеристикам элск-эффективпости тродвнгателя постоянного тока с по-

следовательной обмоткой возбуждения. Область возможного управления асинхронным электродвигателем при двойном питании с минимальными потерями находится ниже кривой соответствующей напряжению И\ =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) я 1 /¿,/. Такое значение тока намагничивания I,/ выбирается исходя из значения тока холостого хода при и|=и„, т\=ш„. При постоянстве тока намагничивания электромагнитный момент в соответствии с формулой (12), будет пропорционален, а в относительных единицах и равен току нагрузки 1,:

А/=1,/. (13)

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

Ц/ = (Л*/£,/ - шС-ь'-М'у, Ц/ = (Л*-Л/ + Ш]').

Рис. 5. Статические механические (электромеханические) характеристики при управлении с

Первое уравнения характеризует контур намагничивания. Второе уравнение аналогично уравнению якоря машины постоянного тока. Используя второе уравнение можно построить статическую механическую (электромеханическую) характеристику асинхронного электродвигателя при постоянном токе намагничивания I,/*.

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.

Третьи глава посвящена вопросам энергетической эффективности процесса передачи энергии в РЭУ с машиной двойного питания. Предложен метод 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 АР имеют достаточно сложную структуру и в подавляющем большинстве математических моделей учитываются лишь электрические потери в обмотках А/3,.

Показатель энергетической эффективности электромеханического преобразователя. Так как электромеханический преобразователь предназначен для создания электромагнитного момента Л/= ¿о-1|'1ц-зт(//), то эффективность его работы удобно оценивать показателем энергетической эффективности равным отношению электромагнитного момента к потерям мощности в обмотках:

М _ ¿и -I, -1,| • 5ш(/?) _т у^ у-ыпЦЗ) АР, "' ' с + у2

где 7о =.....- основная постоянная времени; у= 1ц/11; с = Ч\1Иг.

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. Для оценки энергетической эффективности работы электромеханического преобразователя введен еще один показатель к, - коэффициент энергетической эффективности электромеханического преобразователя определяемый как отношение минимально возможных потерь Л1\от к фактическим потерям А1\ при создании одного и того же электромагнитного момента:

к^=ЛР1ШП/ЛР.,-, либо кэ=Э1 Э0,1Т.

ш

! " '=1 : |

-0,5 ; |

-т-—1

~0.1 ; ---I 1

О 0.5 1,0 1,5

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

График зависимости коэффициента эффективности от отношения токов статора и ротора у = 1ц/1| при с= /?1/Т?2=1 и 5Н1(Д)=1 приведен на рис.7. Из рисунка видно, что для работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором с максимальной энергетической эффективностью необходимо выполнение следующих условии: Ц=Ц\

Л-11 —¿-22; 1[=1ц и зш(/?)=1. Данные условия могут быть обеспечены конструкцией электрической машины, схемой ее соединения и соответствующими алгоритмами управления, рассмотренными в гл.2.

Таблица 1

Электрические потери энергии в различных типах машин переменного тока и их сравпи-________________тельная оценка___

Тип электрической машины Среднестатистические параметры машины (приведены в o.e.) Зависимость для определения электрических потерь/ электромагнитного момента Показатель энергетической эффективности Максимальное значение показателя энергетической эффективности

Рсакгивнын электродвигатель /..,.,' 1.25 Ln' 0,15 Я, =0,04 /.,'=0,08 Д/' = ЙГ'|2 где 1.т = ~ = Л'и ~ /*" 2 2 1.,г1„1.&1. ь /,, 1.„+Ц Э,„„ - Ьп- = 13,8

М = /.„,■/ 12*т(2-р)

Асинхронный электродвигатель с коротко-замкнутым ротором H,'=К2'= 0,04; /.,'= I.2'= Л',*= -Vj'= 0,1; /,„-=А'„'= 2,5; /(,/= 0,25 АГ = т л2./г2 э= ¿„ ¡2 '

Синхронный электродвигатель /,„'= 1,35; А,,,- = 0,8; Л, = 0.12; !■/ = 0,22; 1.2.! = 0,1; 1.2,1= 0,075; Л| =0,030; Kf' = 0,020; Пъ! = 0,04; «2,' = 0,03 М' = Нг1,г+НГ1гг •I,2 ^¡11(2•/?) + Л, •1,г+Л/-1/г Л«''/ /г, • I,1 + /г, • ;/ Э„„ - /.„ "24,4 2 ,/«, для пеяшюполюснои синхронной машины имеющей симметричную магнитную систему где /.„ = (/.,,+/.,,)/2,/,,= /-!+/.,,., и/.,

где /.,„=(/.,,-/„,)/2

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором /(,'=«;'= 0,04; /,,'= 1-2=Х\'= Л'2'= 0,1; /.„'=*,,'= 2,5; /(„'= 0,25 Д/' = Л|-/|2 +1<2-1г2 А> ■'! ^¡"(Л Л, - г,2 + /г2 /22 Э„„= '■» =31.2 2-'Д-Л, при р =п12.

М~и-(у1гт1ЦЗ)

энергетической эффективности от отношения токов статора и ротора

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

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

Па рис.8 приведены семейства зависимости полных потерь от значения элск грома! -питого момента при различных значениях частоты вращения дли рассматриваемых электрических машин. Из приведенных зависимостей видно, что меньшие электрические потери па единицу электромагнитного момента у асинхронного электродвигателя с фазным рою-ром. Таким образом, по критерию энергетической эффективности асинхронный электродвигатель с фазным ротором является лучшим.

Четвертин глина посвящена моделированию переходных и установившихся процессов автоматизированной ГЭУ с машиной двойною 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 двойною питания

Для движения судна в свободной воде используются два технологических режима работы автоматизированной ГЭУ: режим экономичною хода и режим полною хода. Основным режимом работы автоматизированной ГЭУ является режим экономичною хода, па скоростях вращения вала гребного электродвигателя от 0 до (>(1% от номинальной скорости.

Рис. У. Статические механические и электромеханические характеристики при работе автоматизированной ГЭУ в режимах экономичного п полного хода

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

На рис.10 представлены совмест ные механические характеристики машины двойного питания ГЭУ и приведенная к валу электродвигателя характ еристика винта.

Рис. 10. Совместная механическая характеристика машины двойного пи тания ГЭУ и движителя (винта)

Сишпа системы управления автоматытрочаншщ 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 па рис. 11.

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

I, (с)

Рис. 12 Временная диаграмма моделирования работы ГЭУ с машиной двойного ми гания в режиме экономичного хода

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

Синтез системы управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного 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 па рис. 13.

Рис. 13. Структурная схема системы управления автоматизированной ГЭУ с асинхронным электродвигателем при двойном питании с двумя контурами скорости и алгоритмом управления обеспечивающем максимальное быстродействие

Представленная 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.

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

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

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

I, (с)

1'ис. 14. Временная диаграмма моделирования работы РЭУ в режиме "фореиронки" (режиме полного хода)

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:

C,I= (/'u*+ >2,/)/Id*; Си =(/!«*+ iifí )/Id*; cr =(/ic + he )/b : = (i\A- '2A*)/Iq*; Sil =(i\H - hfí )/Iq ; su =(/'if - he )/Iq , где ID' = {2/3-[(/M'+ /цУ+('1я''+ '2п)2+('\е + Ьг*)2)}"2;

1Q' = ¡2/3-[('i./- ibi')2+('ui'~ im'f+ihc- 'к'*)2]}"2-

Данные функции являются основой для формирования токов и скорости вращения: 1,/= Ш-[(/|/+ íia'Ha +(<i/¡'+ пн)-сц + (мг'+ i2t *Усг]; 1,/= 1/3-[(/ы - íia'Ua 4hn- ¡2h'Ysh + (/ir*- he')'Se]\ (o'= 2-«j| '= 4/3-(cA-psA+cirpsn+ce-pse)-

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

Возможные области применения

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

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

2. Для нефтяной и газовой промышленности, позволяя создать безредукторный, автоматизированный элек тропривод 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 реализовывать режим электрического торможения, как при осуществлении замедления, так и при стоянке состава.

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

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

6. Для привода высокоскоростных центрифуг в ядерной энергетике.

Следует отметить, что при использовании в данном электроприводе в качестве 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 ГЭУ с машиной двойного питания.

Повышение эффективности управления технологическим процессом передачи энергии, в силовом канале автоматизированной ГЭУ достигается благодаря 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 массогабарнтиыми 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.

IV. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Научные статьи, опубликованные в изданиях, включенных в Перечень ВАК Ми-нобрпауки РФ:

1. Гельвер Ф.А., Самосейки В.Ф. Алгоритмы управления асинхронным электродвигателем при двойном питании [Текст]//Электроника и электрооборудование транспорта. - 2008, - №3. - С.32 - 36.

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

Научные статьи в других изданиях:

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

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

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

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

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

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

2007273267

Печатается в авторской редакции

Подписано к печати 23.10.09 Сдано в производство 23.10.09

Формат 60^84 1/16 Усл.-печ.л. 1,25. Уч.-изд.л. 1,5.

Тираж 100 экз. Заказ № 62

Санкт-Петербургский государственный универси тет водных коммуникации 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

2007273267