автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Энергосберегающие режимы регулируемых асинхронных электроприводов насосов водоснабжающих установок в условиях фермерских хозяйств

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Андрей Юрьевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСОВ ВОДОСНАБЖАЮЩИХ УСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ

Специальность 05 20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

ооз 1теиьэ х

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 2007

003176061

Работа выполнена в ФГОУ «Новосибирский государственный аграрный университет»

Научный руководитель

■ доктор технических наук, профессор Г Я Иванов

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, с н с Порсев Е Г.

- кандидат технических наук, профессор В С Германенко

Ведущая организация

Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства СО РАСХН

Защита состоится. « 7 » ноября 2007 г. в 14 час на заседании диссертационного совета Д 212 04 02 в Алтайском государственном техническом университете им И И Ползунова по адресу 656038, г Барнаул, пр Ленина, 46, адрес сети Internet www astu alt ш. E-mail ntsc@desert secna.ru

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГОУ АлтГТУ

Автореферат разослан « 5 » октября 2007 г

И о ученого секретаря диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

J1 В Куликова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Федеральная целевая программа «Социальное развитие села до 2010 года» и отраслевая программа «Энергосбережение в агропромышленном комплексе на 2001— 2006 гг » ставят перед сельской энергетикой сложную задачу снизить энергоемкость производства сельскохозяйственной продукции за счет реализации эффективных мер по энергосбережению при обеспечении надежного энергоснабжения сельских регионов и улучшения бытовых условий жизни населения с одновременным увеличением валового производства продукции Актуальность этих задач вызвана тем, что проведенные реформы привели к снижению экономического уровня предприятий агропромышленного комплекса (АПК) Низкое качество продукции и неэффективное использование электрической энергии- характерные черты многих российских аграрных предприятий и сельских территорий Поэтому первоочередной задачей экономии топливно-энергетических ресурсов в отрасли является снижение необоснованных энергозатрат, величина которых в себестоимости достигает 30-40 % от общего потребления электроэнергии при производстве продукции.

В агропромышленном комплексе в настоящее время широко применяется электропривод с асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. До 60 % потребляемой электрической энергии используется в нерегулируемом асинхронном электроприводе. Выбор номинальной мощности электродвигателей осуществляется по максимальной загрузке потребителя, время действия которой, в соответствии с графиками нагрузки для многих технологических процессов, не превышает 20-30 % длительности эксплуатационного режима. Большой вклад в решение задач рационализации режимов работы частотно-регулируемых электроприводов переменного тока внесли выдающиеся отечественные ученые -А А Булгаков, В. А Дартау, Л X. Дацковский, М П. Костенко, В В Панкратов, В. И. Пантелеев, В. В. Рудаков, О В. Слежановский, И. М Столяров и др

Одним из перспективных направлений снижения электропотребления является внедрение векторного управления частотно-регулируемого электропривода Благодаря векторной форме и применению синхронно-вращающихся систем координат, разработанных Б. ВкэсЬке, удалось представить асинхронный двигатель

(АД) по аналогии с двигателем постоянного тока как двухканаль-ный нелинейный объект управления Рассмотрение асинхронной машины во временной области на основе векторного анализа позволило записать модель АД в более компактном виде и систематизировать данный подход регулирования современными приводами в соответствии с принятыми в теории автоматического управления требованиями

Вышесказанное определяет актуальность обоснования применения векторного управления частотно-регулируемых электроприводов для водоснабжения в сельской местности с целью энергосбережения

Цель исследования. Целью работы является снижение энергозатрат в технологических процессах АПК путем реализации векторного управления частотно-регулируемых электроприводов в механизмах вентиляторного типа Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи

1. Проанализировать способы энергосбережения в АПК и определить области допустимых управлений в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе (ЭП)

2. Использовать математическую модель частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением для проведения теоретических исследований

3 Провести экспериментальные исследования режимов энергосбережения частотно-регулируемого ЭП насоса водоснабжающей установки.

4 Дать технико-экономическую оценку результатов исследования режимов энергосбережения частотно-регулируемого электропривода насоса водоснабжающей установки с векторным управлением

Объект исследования. Режимы регулирования асинхронных ЭП с векторным управлением в технологических процессах АПК.

Предмет исследования. Параметрические закономерности процесса векторного управления частотно-регулируемых ЭП насосов

Научная новизна заключается в следующем

- теоретически обоснована целесообразность использования векторного управления автоматизированных частотно-регулируемых электроприводов механизмов вентиляторного типа с целью повышения энергосбережения в сельскохозяйственном производстве и быту населения,

- установлена полученная на математической модели взаимосвязь между основными факторами, влияющими на энергосбережение при работе системы ЭП насоса водоснабжающей установки,

- на базе математической модели с использованием критерия минимальных энергетических затрат сформулирован метод рационализации режимов водоснабжения в результате чего достигается минимальное значение времени переходного процесса при регулировании скорости ЭП насоса

Практическая значимость. Разработаны и экспериментально апробированы инженерные методики расчета систем управления асинхронным электроприводом, в котором достигается минимальное значение времени переходного процесса в режиме отработки малых рассогласований по управлению и возмущению

При создании экспериментальной установки на базе персональной ЭВМ и транзисторного комплектного электропривода «Размер 2М-5-2», которая была испытана на водонасосной станции в опытно-производственном хозяйстве «Венгеровское» ООО «Новосибохота», предложен комплекс технических решений, позволяющих использовать преимущества синтезированных алгоритмов управления АД

Реализация результатов работы. Разработанное техническое задание по проектированию и расчету системы векторного управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода принято для исполнения ОПКТБ СибНИПТИЖа

Результаты работы используются в учебном процессе Новосибирского государственного аграрного университета для специальности 110302 - «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ НГАУ в 2005-2006 гг, на 5-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в мае 2006 года в г Москве, на 9-ой Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» в июле 2006 г в Новосибирске, на 3-ей Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК» в октябре 2006 года в г Новосибирске

По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе в реферируемом журнале ВАК «Вестник КрасГАУ»

Основные положения выносимые на защиту:

- способ повышения энергосбережения технологических процессов в сельскохозяйственном производстве и бьпу населения на основе векторного управления частотно-регулируемых электроприводов;

- метод рационализации режимов водоснабжения, в результате чего достигается минимальное значение времени переходного процесса при регулировании скорости ЭП насоса,

- закономерности, полученные на математической модели между основными факторами, влияющими на энергосбережение при работе системы ЭП водоснабжающей установки

Структура и объем диссертацни. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с основными выводами и приложений Работа изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы, 21 рисунок и список литературы, включающий 119 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности выбранной темы и ее практической значимости.

В первой главе «Современное состояние проблемы энергосбережения в сельском хозяйстве» проведен анализ данных Министерства сельского хозяйства РФ по энергопотреблению в сельхозпроизводстве, в бьпу и сфере услуг за 1997-2005 г г, а также прогнозируемых данных на 2006г потребностей АПК в энергоресурсах Сравнение эффективности использования электрической энергии по усредненному показателю удельных энергозатрат в различных областях АПК показывает, что затраты на содержание животных и производство сельскохозяйственной продукции в России значительно превышают аналогичные показатели стран Западной Европы и США

Исследованиям по эффективному использованию электрической энергии и разработке энергосберегающих технологий посвящены работы А М Басова, Н. Ф Бородина, Г П Ерошенко, Г. Я. Иванова, Л В Куликовой, Я А Кунгса, С. П Лебедева, О. К Никольского, А. М Худоногова и др. Труды этих ученых были использованы в написании данной работы.

Анализ энергозатрат позволяет выявить основные направления, технологические процессы, элементы систем энергосбережения, где энергосберегающие мероприятия могут дать наибольший эффект в АПК.

К этим мероприятиям одним из главных можно отнести экономию электроэнергии в системах электроснабжения и при ее использовании за счет снижения потерь в сетях и применения регулируемых электроприводов.

В связи с тем, что одни го самых распространенных типов механизмов, используемых в сельскохозяйственном производстве, являются механизмы вентиляторного типа (компрессоры, насосы, вентиляторы итп.), их электропривод выполнен на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Он прост в эксплуатации и дешев, но имеет существенный недостаток - сложность регулирования скорости вращения при питании его от сети с постоянными значениями напряжения и частоты тока

Решить проблему регулирования скорости вращения асинхронного электродвигателя можно путем использования устройств частотного регулирования и применения наиболее энергоэффекгивного векторного управления этими двигателями. Современные преобразователи частоты позволяют управлять скоростью и моментом двигателя по заданным параметрам в точном соответствии с характером нагрузки Это в свою очередь, дает возможность осуществлять точное регулирование практически любого процесса в наиболее экономном режиме, без тяжелых переходных процессов в технологических системах и электрических системах и электрических сетях.

Для нахождения энергоэффекгивного применения векторного управления частотно-регулируемого электропривода в АПК необходимо выявить и обосновать такие области, где возможно решить технологические вопросы указанным способом при сравнительно незначительных капиталовложениях Это системы водоснабжения и вентиляции в животноводстве, растениеводстве и на перерабатывающих предприятиях, а также системы водоснабжения сельских населенных пунктов, которые постоянно находятся в режимах сброса и наброса нагрузки, то есть в переходных режимах. При этом следует учесть ряд особенностей работы электроприводов в АПК- диапазон мощности асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором колеблется от 0,6 до 30 кВт, двигатели работают в сложных условиях эксплуатации, что обусловлено спецификой сельскохозяйственного производства с резко выраженной суточной и сезонной нагрузкой, электроприводы большинства механизмов работают с недогрузом.

Предварительная оценка возможностей векторного управления частотно-регулируемым электроприводом в указанных системах показывает, что при организации технологического процесса с использованием данного управления можно добиться снижения электропотребления по данным некоторых источников до 35 % и расхода воды до 25-30%. Наибольший энергосберегающий эффект можно получить на основе рациональных систем векторного управления асинхронными приводами в системах вентиляции, горячего и холодного водоснабжения Выбор насосных агрегатов систем водоснабжения в качестве объектов энергосбережения обусловлен их массовостью, непрерывной круглогодичной работой с ярко выраженной неравномерностью загрузки

На основе вышесказанного была поставлена цель и определены задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются математические модели АД и преобразователя частоты (ПЧ), особенности построения и реализации системы векторного управления АД, а также теоретически исследуется векторное управление асинхронными электроприводами в агропромышленном комплексе

Современный уровень математической теории переходных процессов в элекгрических машинах переменного тока характеризуется весьма полным описанием протекающих в них физических процессов, что позволяет в зависимости от требований, предъявляемых к синтезированной системе, учесть разнообразные особенности преобразования энергии.

При аналитическом описании динамических и статических режимов работы электромеханических преобразователей переменного тока используется целый ряд допущений, которые позволяют существенно упростить математическую модель электрической машины переменного тока.

Этот подход к представлению АД с использованием вектор-но-матричной формы записи позволяет привлечь развитый аппарат теории дифференциальных уравнений, линейной алгебры и вычислительной техники для решения задач анализа и синтеза

Воспользуемся уравнением движения электропривода— математическим соотношением, характеризующим электромеханические процессы в любом электромеханическом преобразователе

с1сЬ/<Й = 1Я * (Мэ -Мс), (I)

где 3 - приведенный момент инерции привода и механизма; Мэ, Мс- соответственно электромагнитный момент и приведенный момент сопротивления нагрузки.

Преимущества с точки зрения упрощения математической модели АД и синтеза системы векторного управления можно получить при помощи рационального выбора угловой скорости и опорного вектора вращающейся системы координат ск}. Применительно к АД наиболее целесообразным является ориентация продольной оси (1 по вектору \|/г

Приведем уравнения электрического равновесия напряжений обмоток статора в осях синхронно-вращающейся системы координат

ь ое " еЦ5л/& = -КД5(1 - Ьщ/Ьг * с! \ут/<Й + <Ц,Ь ое15<1 + и311

(2)

Ь * = -К-Ц - (Ц,(1,т/Ьг * Уг+ Ь „(. 18<0 + и«, ,

а для обмотки ротора

<1\]/,Лй = Ьщ/Тг * - 1/Тг * ут

(3)

С^ЛЙ = Рп " (Ь + Ьщ/Тг " Тг,

где <%- угловая скорость вектора потокосцеплений ротора, - электрический угол сдвига между продольными осями вращающейся <3 - д и неподвижной а-р систем координат, Тг = Ь/Кг- постоянная времени ротора характеризующая процессы изменения модуля Уг- Электромагнитный момент асинхронного двигателя наход ится как

Мэ = сх Ьт/Ъг - \|/гЦ; (4)

где с - коэффициент, определяемый способом приведения реальных многофазных переменных АД к векторной форме, который в дальнейшем принимается равным

0 = 2/3 * р„ (5)

Математическое описание, основанное на уравнениях (1), (2), (3), (4) позволяет представить асинхронный двигатель как двух канальный взаимно связанный нелинейный объект, в котором продольная составляющая вектора токов статора соответствует по аналогии с двигателем постоянного тока возбуждению асинхронного двигателя (канал намагничивания), а поперечная - управлению (канал образования момента) При этом модель АД имеет в своей структуре небольшое число перекрестных связей между каналами управления и относительно простые выражения для вычисления и электромагнитного момента, хотя при данном пред-

ставлении АД не учитывается влияние нелинейности кривой намагничивания на динамические характеристики АД

Ориентация системы координат сЦ по вектору потокосцеп-лений позволяющая представить АД по аналогии с двигателем постоянного тока является эффективным способом упрощения структуры математической модели АД при разработке высокодинамичных частотно-регулируемых ЭП, Все это позволяет эффективно решать задачи синтеза алгоритмов векторного управления АД.

В данной работе проведен анализ полупроводникового силового преобразователя на полностью управляемых ключах с наиболее перспективным транзисторным автономным инвертором напряжения (АИН) с явно выраженным звеном постоянного тока, функциональная схема которого приведена на рис. 1, где В - выпрямитель, Ф - индуктивно-емкостной фильтр, АИН - автономный инвертор напряжения, М - 3-х фазный асинхронный двигатель

Рис. 1. Функциональная схема силовой части ЭП

Учитывая дискретный характер работы транзисторного автономного инвертора напряжения, основным математическим соотношением, связывающим между собой компоненты вектора напряжений в неподвижной трехфазной А-В-С и вращающейся двухфазной д-ц системах координат, выступает

и5 = А(у„)Ри'8, (6)

где Р - матрица преобразования из неортогональной плоской системы координат в неподвижную & — Р, а А(ух?) - матрица преобразования из неподвижного двумерного векторного пространства во вращающееся со скоростью «Ц, равна

Муд

совук 8Шук -втук соБук

(7)

Причем величина вектора У'^ зависит от способа .соединения фазных обмоток статора. Так, если они образуют мея^цу собой звезду то

и'^л = ± изт/2, (8)

соответственно при соединении обмоток асинхронного двигателя в треугольник

± л/372" изпт (9)

где и31ГГ- напряжение звена постоянного тока.

Математическое описание преобразователя частоты с 3-х фазным мостовым автономным инвертором напряжения с явно выраженным звеном постоянного тока используются при разработке асинхронного электропривода с широтно-импульсной модуляцией напряжения, позволяя на его базе реализовывать различные регулируемые источники напряжения с учетом мгновенных состояний силовых ключей.

При синтезе системы векторного управления скоростью АД накладываются ограничения по току, которое вызвано обеспечением безопасной работы силовых ключей, и по напряжению изггг (напряжение звена постоянного тока) исходя из обеспечения максимальной частоты вращения при регулировании скорости с постоянством длительно допустимого момента Несмотря на то, что асинхронный д вигатель является сложным нелинейным нестационарным объектом, в рамках систем векторного управления двигателями переменного тока удается добиться высоких энергетических и динамических показателей асинхронного электропривода в широких диапазонах регулирования частоты вращения, тем самым позволяя использовать асинхронный двигатель в качестве приводного двигателя в ответственных технологических комплексах и системах.

Одним из основных путей значительного упрощения математического описания АД при исследовании векторной системы автоматического регулирования является рациональный выбор управляющих воздействий.

Наиболее часто в системах векторного управления АД управляющими воздействиями являются и8а, и^, при этом в качестве силового преобразователя выступает регулируемый источник напряжений, а вектором управлений является вектор напряжений статора, область допустимых значений которого ограничена по амплитуде напряжением в звене постоянного тока преобразователя частоты, а пространственное положение определяется восемью

11

разрешенными состояниями, 'из 'которых два нулевых, зависящих от состояния силовых транзисторных ключей

На рис. 2 приведена упрощенная функциональная схема автономного инвертора напряжений, в которой в качестве Т1.. Т6 обозначены транзисторные ключи с обратными диодами. Для данного вида источника питания АД допустимые управления в трехфазной системе координат, связанной со статором асинхронной машины, находящейся в ограниченном шестиугольном пространстве и представлены на рис. 3, причем максимально допустимая линейная область формирования вектора напряжений статора определяется величиной

и

огр

-и,

(10)

что соответствует амплитуде линейного напряжения между фазными обмотками АД

илин=из1гг. (11)

Т1

Т2

'\ 1

ТЗтР

Л

Т5;.

14

Л

Л ■

Т6

+

Рис 2. Функциональная схема мостового трехфазного АНН

Использование векторной широтно-импульсной модуляции в асинхронных ЭП позволяет путем изменения длительности включения двух соседних и одного нулевого векторов сформировать вектор напряжений статора с любой фазой относительно опорного и модулем, ограниченном в соответствии с рис. 3

Рис. 3. Векторная диаграмма множества реализуемых напряжений АИН

Такой подход к управлению силовым преобразователем снижает количество коммутаций силовых ключей, что приводит к снижению потерь в системе «регулируемый источник напряжений - АД», а также уменьшает величину пульсаций формируемого напряжения, среднеквадратичное значение токов нагрузки и активные потери в двигателе по сравнению с пофазной широтно-импульсной модуляцией, вследствие чего расширяется диапазон регулирования частоты вращения.

Третья глава посвящена методике проведения экспериментальных исследований управления статическими и динамическими режимами асинхронного ЭП.

Применительно ко многим техническим приложениям, в том числе к системам управления скоростью АД исследование алгоритмов управления целесообразно рассматривать с позиций предписания исследуемой системе желаемых статических и динамических характеристик. Таким образом, задача методики исследования систем управления сводится к описанию управляющих воздействий, приборов и средств, применяемых в экспериментальном исследовании.

Исследовалась система векторного управления АД, где в качестве регулируемого источника тока может выступать замкнутый контур регулирования токов статора АД в неподвижной или вращающейся системах координат с непрерывным управлением вектором 15 Например, двухканальная система регулирования токов статора в декартовой системе координат изображена на рис. 4, где приведены следующие обозначения:

Рис 4 Структурная схема двухканального контура регулирования токов статора с непрерывным управлением транзисторными ключами

РТ - двухканальный регулятор тока, <11 - положительный коэффициент передачи по току в канале обратной связи, постоянная времени замкнутого двухканального контура регулирования токов находится из условия разделения частот

>

(2 -3)

(12)

крт

а постоянные времени внешнего контура регулирования вектора выходных переменных из равенства

Т = 2;г(2. ,3)Т ,

'крт

(13)

обеспечивающего разделение движений в многоконтурной системе с подчиненной структурой, е5- неполный вектор э.д.с. статора АД, в котором отсутствует э.д.с самоиндукции, обусловленная потоками рассеяния.

Непрерывное управление транзисторными ключами преобразователя частоты является более предпочтительным по отношению, например, к разрывному управлению, что объясняется возможностью стабилизации частоты коммутации силовых ключей в соответствии с некоторыми дополнительными требованиями, предъявляемыми к системе, а также по причине повышения быстродействия всей системы регулирования скоростью АД.

Функциональная схема системы автоматического регулирования скоростью АД с векторным управлением, в которой реализуется принятый закон управления, изображена на рис. 5.

Представленная система векторного управления включает в себя двухканальный контур регулирования вектора выходных переменных, а также локальный контур регулирования фазных токов статора АД, на базе которого построен регулируемый источник токов с непрерывным управлением

На рис 5 использованы следующие обозначения РП и РС соответственно П- регулятор потока и ПИ— регулятор скорости; ПК1 - промежуточный преобразователь координат из вращающейся системы координат в полярную, предназначенный для последующего ограничения вектора и выделения в нем его евклидовой нормы и фазы, ОГР — звено ограничения амплитуды вектора управляющих воздействий; ПК2— преобразователь координат из полярной системы координат в трехфазную А, В, С; РРТ - трехфазный регулятор токов статора осуществляющий непрерывное управление транзисторными ключами силового преобразователя, ПЧ - преобразователь частоты, НАБ — наблюдающее устройство, в функции которого входит определение направляющих косинусов, предназначенных для ориентирования магнитного поля асинхронной машины, а также текущая оценка координат вектора выходных переменных, используемых в качестве сигналов обратных связей.

Для исследования предложенного способа регулирования было проведено цифровое моделирование.

Исследовался частотно-регулируемый электропривод на базе асинхронного двигателя типа 4А90Ь4УЗ мощностью 2,2 кВт, обмотки статора которого соединены в «звезду» и запитаны от преобразователя частоты с полностью управляемыми ключами. Частота автоколебаний во внутреннем контуре регулирования фазных токов двигателя принята равной 5 кГц.

На рис. 6 приведены графики переходных процессов изменения угловой скорости при пуске на номинальную скорость с начальных нулевых условий (1) и наброса нагрузки реактивным моментом сопротивления (2). Выбранные алгоритмы управления позволяют говоршъ об эффективном способе повышения быстродействия и энергосбережения.

м со

Н-м рад/с

15 - 150

10- 100

5- 50

о- 0

-5- -50

Рис. 6. Пуск АД с нулевых начальных условий на номинальную скорость и режим наброса нагрузки

В четвертой главе рассматривается технико-экономическая оценка применения векторного управления асинхронными электроприводами в АПК и влияние взаимосвязи технологических и энергетических параметров при различных режимах работы насосной водоснабжающей установки, а также рассчитывается экономическая оценка эффективности применения векторного управления асинхронным электроприводом.

Сравнительные результаты работы насоса в относительных единицах при векторном управлении асинхронного электропривода и снижение расхода воды в магистрали посредством дроссельной заслонки показаны на рис. 7.

1 ....../

2

к. 1

0 0.4 0.8 1.2 1.«

1,0

J4 * /2

/>' \ А ..- ......."-тИмаВДС Гч.

- i 1

JF*^ j

0 0,5 1,0

U.-.IJ

Рис. 7. Сравнительные результаты работы регулируемого электропривода насоса и дросселирования магистрали, где кривая 1 - характеристика насоса, кривая 2 - характеристика магистрали

В таблице 1 приведены основные технико-экономические показатели разработанной системы водоснабжения населенного пункта с векторным управлением частотно-регулируемого электропривода насоса в сравнении с базовым вариантом, представляющим собой водоснабжающую магистраль с дроссельной заслонкой на входе системы.

Таблица 1

Показатель Разработанный Базовый

вариант вариант

Годовое потребление электроэнергии, кВт / ч 19 300 24300

Капитальные вложения, руб. 10 200 -

Годовые эксплуатационные расходы, руб/год 350 200

в т. ч. амортизационные отчисления 145 100

затраты на ремонт 95 90

прочее 110 100

Экономия электроэнергии, кВт/ч 5 000 -

Экономия воды, руб./год 4950 -

Экономия затрат на электроэнергию, руб/год 6 000 -

Срок окупаемости затрат, мес. 11,5 -

Заключение. Теоретическое исследование частотно-регулируемого асинхронного электропривода, удовлетворяющего требованиям технологического процесса в части достаточного бы-

стродействия в режимах сброса и наброса нагрузки, позволили получить следующие основные результаты

1 Анализ электропотребления в АПК показал, что около 60% электрической энергии расходуется в нерегулируемом электроприводе с асинхронным короткозамкнутым электроприводом что приводит к дополнительным энергозатратам Внедрение векторного управления частотно-регулируемым приводом на базе современных преобразователей частоты позволяет экономить до 20% электрической энергии

2 Реализация векторного управления позволяет наиболее полно использовать ресурс силового преобразователя по току, что имеет немаловажное значение при некоторых видах нагрузки. Вследствие этого повышается перегрузочная способность ЭП

3 Использование управляющих воздействий по току и напряжению в традиционных системах векторного управления АД, работающих в режимах разделения процессов в каналах намагничивания и образования момента, позволяет сократить время переходных процессов.

4 Применение алгоритмов управления АД не требует принципиальных изменений в структуре многоканальной замкнутой САУ, синтезированной традиционными методами. Реализация их оправдана при реконструкции находящихся в эксплуатации асинхронных электроприводов, когда требуется увеличение быстродействия, а ресурс управления остается неизменным.

5. Разработана методика экспериментального исследования управления регулируемого электропривода, включающая описание примененных современных приборов и аппаратов на базе микропроцессорной техники и последовательность операций в процессе эксперимента В качестве основного прибора использован контроллер семейства ПЛК МЕЬБЕС РХ, позволяющий настроить систему в соответствии с необходимыми требованиями технологического процесса.

6 Использование в сельскохозяйственном производстве векторного управления АД только в системе водоснабжения позволит снизить энергозатраты до 20 %, расход воды - до 25 % Годовой экономический эффект составит около 6 тыс руб. в расчете на насосную установку (мощность электродвигателя 2,2 кВт) при сроке окупаемости затрат на установку системы управления менее 1 года

7 Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований векторного управления асинхронными двигателями различной мощности от 0,6 до 50 кВт показали высокую точность этих результатов для различных динамических моментов в режимах сброса и наброса нагрузки Практическое применение алгоритмов управления создает возможность использования энергосберегающего векторного управления асинхронным электроприводом как при существующем, так и вновь разрабатываемом технологическом процессе

Список работ опубликованных по теме диссертации

1 Математическое моделирование процесса векторного управления асинхронным двигателем / Г Я Иванов, Б. В Малоземов, А Ю Кузнецов [и др ] II Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве сб науч тр / ГНУ ВИЭСХ - М, 2006. -С 380-387

2 Проблемы развития и применения частотно-регулируемого электропривода в сельскохозяйственном производстве / Г Я Иванов, Б В Малоземов, А Ю Кузнецов [и др ] // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве сб науч. тр /ГНУ ВИЭСХ -М, 2006 -С 366-371

3 Иванов Г. Я Математическая модель асинхронного двигателя со слабоизменяющейся нагрузкой как объекта управления / Г Я Иванов, А Ю. Кузнецов, П А Лисенков // Информационные технологии, системы и приборы в АПК сб науч тр / СО РАСХН -Новосибирск,2006 -С 212-217

4 Иванов Г Я Частотно-регулируемый электропривод с векторным управлением для водоснабжения в АПК / Г Я Иванов, А Ю Кузнецов, П А Лисенков // Информационные технологии, системы и приборы в АПК сб науч. тр / СО РАСХН - Новосибирск, 2006 -С 251-258

5 Иванов Г Я Эффективность применения векторного управления асинхронным электродвигателем насоса для водоснабжения в сельской местности / Г. Я Иванов, А Ю Кузнецов // Вестн КрасГАУ -2007 -№1 -С. 251-254

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г Новосибирск, пр К Маркса, 20,

тел /факс (383) 346-08-57 формат 60x84/16, объем 1,25 п л, тираж 100 экз , заказ № 117 подписано в печать 25 09 07г

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ.

1.1. Современное состояние.

1.2. Электропотребление и анализ энергосбережения в АПК.

1.3. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В АПК.

2.1. Математические модели АД.

2.2. Математическая модель преобразователя частоты.\

2.3. Особенности построения и реализации систем векторного управления АД.

2.4. Управляющие воздействия в каналах управления АД.

2.5. Ограничение вектора управлений по модулю в САУ скоростью АД.

2.5.1. Области допустимых управлений.

2.5.2. Ограничение вектора токов статора в асинхронном ЭП.

5.2.3. Блоки ограничения модуля вектора токов статора.

2.6. Выводы по 2 главе.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Методика проведения натурного эксперимента.

3.2. Моделирование статического режима асинхронного электропривода.

3.3. Моделирование динамического режима асинхронного электропривода.

3.4. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В АПК.

4.1. Взаимосвязь технологических и энергетических режимов работы насосной установки.

4.2. Технико-экономическая оценка эффективности применения векторного управления асинхронным ЭП.

4.3. Выводы по главе 4.

Возрастающие требования к показателям качества производственных процессов и производительности труда обуславливают в последнее время устойчивую тенденцию широкого внедрения регулируемых электроприводов (ЭП) в различных отраслях народного хозяйства. Развитие математической теории машин переменного тока и автоматического управления, совершенствование силовых полупроводниковых приборов, использование микропроцессорных средств управления позволило создать высококачественные глу-бокорегулируемые ЭП на базе электромеханических преобразователей переменного тока.

Эффективность работы регулируемого ЭП переменного тока в составе того или иного технологического комплекса или системы во многом определяется возможностями источника питания. Наиболее перспективными из них являются полупроводниковые преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения [10,28], которые позволяют удовлетворять самым высоким требованиям по диапазону и качеству регулирования скорости. Данный тип силового преобразователя, как правило, включает в себя неуправляемый выпрямитель, фильтр, автономный инвертор, цепь «слива» энергии рекуперативного торможения и дает возможность реализовать на его основе ЭП с различными типами приводных двигателей [69,93].

Появление в начале 90-х годов 20-го столетия высокочастотных биполярных транзисторов с МОП-управлением Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) [40,69] дало возможность с помощью прямого разрывного управления [8] или широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного напряжения [23,113] организовывать быстродействующие системы «преобразователь частоты - двигатель переменного тока» с низкими массогабаритными показателями.

Наиболее массовым среди всех двигателей переменного тока для диапазона малых и средних мощностей в настоящее время остается трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД), который работает на предприятиях различных отраслей народного хозяйства и основным является в сельскохозяйственном производстве [1,94,102]. Такой приоритет АД в регулируемом ЭП переменного тока связан с высокой надежностью данного типа электрических машин. Отсутствие щеточно-коллекторного узла, контактных колец и постоянных магнитов обуславливает эксплуатационные преимущества АД над синхронными двигателями различного возбуждения и машинами постоянного тока. Так, например, средняя наработка на отказ у АД составляет 30 лет, в то время как у двигателя постоянного тока - около 10 лет [50]. Кроме того, к достоинствам АД можно отнести простоту конструкции, малые габариты и момент инерции ротора, отсутствие коммутационных ограничений по скорости и току и т.д. [1,61,82,114].

Асинхронный ЭП общего назначения, в котором, как правило, не требуется обеспечения высоких механических и энергетических характеристик в широком диапазоне изменения скорости и момента нагрузки, строится на основе фазового [23,49,106] или частотного [14,78,82,104] управления АД. Последний способ является более экономичным и пригодным для длительного глубокого регулирования скорости. Он заключается в одновременном изменении амплитуды и частоты подводимого к статору напряжения в соответствии с выбранным ранее законом при стабилизации магнитного состояния асинхронной машины и реализуется в рамках принципов как управления по отклонению, так и по возмущению. При этом, как отмечается в [82,104], в частотном управлении целесообразно отказаться от поддержания на постоянном уровне некоторой магнитной переменной и осуществлять регулирование скорости за счет изменения абсолютного скольжения. Такие частотно-регулируемые асинхронные ЭП обеспечивают удовлетворительные динамические и энергетические характеристики во всем диапазоне скоростей, которые в то же время уступают показателям регулируемого ЭП постоянного тока.

Ранее, несмотря на достаточно развитую теорию частотного управления АД, большой вклад в которую внесли такие отечественные исследователи как Костенко М.П., Булгаков А.А., Сабинин Ю.А., Дацковский JI.X., Слежа-новский О.В., Рудаков В.В., частотно-регулируемый асинхронный ЭП, как правило, внедрялся в областях, где было недопустимым применение двигателей постоянного тока из условий безопасной работы, либо при модернизации нерегулируемого ЭП. Широкое внедрение АД в системах автоматического управления (САУ) скоростью сдерживалось низкими динамическими характеристиками тиристорных преобразователей частоты, а также собственными свойствами объекта, которые проявлялись в пульсациях электромагнитного момента, дрейфе параметров, ухудшении условий охлаждения на малых частотах вращения. Влияния данных недостатков на качество регулирования скорости удавалось избежать путем доработки АД общепромышленной серии специально для частотно-регулируемого ЭП, которая заключалась в независимой вентиляции, размещении в случае необходимости датчиков механического движения, согласовании напряжений обмоток статора и источника питания, либо путем специального конструирования асинхронных машин с учетом изменяемой в процессе эксплуатации частоты питания [17,61,86].

Использование пространственных векторов для описания протекающих в электромеханических преобразователях переменного тока физических процессов дало дальнейший толчок в развитии теории управления АД. Достоинством данного способа представления асинхронной машины по сравнению, например, со схемами замещения различной конфигурации, является отход от параметрического управления и возможность привлечения различных методов синтеза линейных и нелинейных систем.

Анализ статических и динамических режимов работы электрических машин переменного тока с помощью мгновенных значений пространственных векторов позволяет в отличие от математических моделей АД, полученных путем линеаризации дифференциальных уравнений для малых отклонений, проводить исследование переходных процессов, сопровождаемых существенным изменением относительно точки равновесного состояния. Благодаря векторной форме и применению синхронно-вращающихся систем координат удалось представить АД по аналогии с двигателем постоянного тока как двухканальный нелинейный объект управления. Кроме того, рассмотрение асинхронной машины во временной области на основе метода пространства состояний, векторного анализа и матричного исчисления [8,112] позволило записать математическую модель АД в более компактном виде и систематизировать данный подход в соответствии с принятыми в современной теории автоматического управления требованиями.

Математический аппарат преобразования координат с использованием вращающихся ортогональных систем позволил представлять векторы синусоидально изменяющихся во времени переменных АД в векторы постоянных величин, в результате чего упростился анализ и синтез систем управления асинхронным ЭП. Кроме того, за счет привязки двумерной плоскости к опорному (ориентирующему) вектору удается исключить из дальнейшего рассмотрения поперечную составляющую опорного вектора.

Другим способом математического описания статических и динамических режимов работы электрических машин переменного тока стало представление реальных величин объекта управления в виде спиральных векторов, которые являются экспоненциальными функциями времени с комплексным аргументом. Благодаря функциональной временной зависимости спиральные векторы, в отличие от статических пространственных векторов, более адекватно характеризуют переходные процессы [109,110]. На основании спирально-векторной теории S. Yamamura предложил метод ускорения поля (потока) [17,112,115], который позволяет осуществлять синтез систем управления асинхронным ЭП с высокими динамическими характеристиками.

Благодаря векторному анализу режимов работы АД были сформулированы принципы частотно-токового [13, 61, 17] и векторного [13, 62, 67, 77] управлений. Так, основываясь на ориентировании ортогональной вращающейся системы координат АД по вектору потокосцеплений ротора, в 1971 году F. Blaschke разработал замкнутую многоконтурную САУ скоростью АД с подчиненной структурой и последовательной коррекцией под названием «Transvektor» [87], которая обеспечивала высокое качество переходных процессов по скорости и функционировала в режимах разделения во времени процессов намагничивания и пуска.

Синтез систем векторного управления АД базируется на теории многоконтурных замкнутых систем подчиненного регулирования применительно к многоканальным взаимосвязным нелинейным объектам, какими и являются электромеханические преобразователи переменного тока. Суть векторного управления заключается в контроле мгновенных значений модуля и пространственного положения управляющего и опорного векторов на двумерной плоскости [27, 77]. Именно в рамках таких систем с жесткими линейными обратными связями по каждой регулируемой координате строятся высококачественные асинхронные ЭП, в которых достигаются глубокие диапазоны регулирования.

В некоторых технологических комплексах и системах требуется обеспечить регулирование частоты вращения с постоянством длительно допустимой или максимальной мощности, которое достигается за счет двухзонного управления приводом. В результате такого подхода к построению САУ в первой зоне регулирования магнитный поток постоянен, а во второй плавно изменяется обратно пропорционально скорости. Реализация таких законов управления координатами механического движения происходит в рамках систем с внешним контуром регулирования э.д.с. и внутренним по отношению к нему контуром регулирования потока, и их быстродействие, как правило, невелико, что объясняется подчиненной структурой канала управления магнитным состоянием АД.

В современном асинхронном ЭП с векторным управлением присутствует тенденция исключения из его структуры датчиков механического движения и магнитного состояния за счет привлечения методов идентификации и организации оценки динамических выходных переменных [28, 67, 68, 116]. По этой причине синтез последовательных корректирующих устройств носит характер одной из двух самостоятельных задач, которые подразделяются в зависимости от способа получения информации о полном векторе пространства состояний [17]. Так, если все координаты состояния объекта доступны для измерения, то управления, вырабатываемые регулятором, носят характер линейных преобразований соответствующих компонент вектора пространства состояний и управляющих воздействий. В противном случае для получения недостающих данных необходимо восстановление или оценка их по имеющимся измерениям.

Другой особенностью синтеза регуляторов в структуре частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением является необходимость учета нестационарности объекта, которая обусловлена изменением в процессе работы АД активных сопротивлений фазных обмоток и приведенного момента инерции. Поэтому для качественного регулирования скорости необходимо использование алгоритмов адаптации, которые однако сложны в настройке и эксплуатации.

Избежать данного недостатка для некоторых математических моделей АД можно путем привлечения принципа локализации, обеспечивающего желаемые динамические свойства нестационарной САУ за счет преднамеренной организации быстрых движений, в которой частично или полностью локализуются внешние и внутренние возмущения. Системы векторного управления АД, синтезированные в соответствии с данным принципом, являются наиболее перспективными и сохраняют требуемые показатели в условиях интервальной неопределенности параметров [117].

Как отмечается в [104], в зависимости от условий эксплуатации электромеханических преобразователей можно выделить две обширные группы ЭП. К первой из них относятся регулируемые ЭП, для которых основными являются статические режимы работы с постоянной или медленно изменяющейся нагрузкой, а ко второй - ЭП, работающие, главным образом, в динамических режимах, связанных с отработкой быстроизменяющихся управляющих и возмущающих воздействий. В соответствии с данным разделением осуществляется выбор метода оценки, для которого должно достигаться экстремальное значение выбранного критерия. Так для первой группы оптимизируемый функционал должен отвечать некоторому энергетическому критерию, например, минимуму затраченной энергии или минимуму энергии электрических потерь. Для второй группы ЭП в качестве такого требования может выступать минимум времени, затраченного на перевод данной точки системы из одного состояния в другое, что соответствует классическому критерию оптимальности по быстродействию. Для водоснабжающих установок в АПК приоритетным является первая группа ЭП, анализ и синтез которой и положены в основу данной диссертации.

Применительно к асинхронным ЭП, которые в подавляющем случае являются приводами механизмов вентиляторного типа в диапазоне малых и средних мощностей, задачу энергосбережения можно сформулировать как отыскание управляющих воздействий в рамках систем с обратными связями и последовательной коррекцией.

Федеральная целевая программа «Социальное развитие села до 2010 года» и отраслевая программа «Энергосбережение в АПК на 2001-2006 гг.», ставят перед сельской энергетикой сложную задачу: снизить энергоемкость производства сельскохозяйственной продукции за счет реализации эффективных мер по энергосбережению при обеспечении надежного энергоснабжения сельских регионов и улучшения бытовых условий жизни населения с одновременным увеличением валового производства продукции. Актуальность этих задач вызвана тем, что проведенные реформы привели к снижению экономического уровня предприятий АПК. Низкое качество и неэффективное использование электрической энергии - характерные черты многих российских аграрных предприятий и сельских территорий.

Проблема энергосбережения в сельском хозяйстве в условиях перехода к рыночным отношениям обостряется в связи с дефицитом энергоресурсов и резким увеличением их стоимости. Поэтому первоочередной задачей экономии топливно-энергетических ресурсов в отрасли является снижение необоснованных энергозатрат, величина которых достигает 30-40% от общего потребления электроэнергии сельским хозяйством.

В агропромышленном комплексе в настоящее время широко применяется электропривод с асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. До 60% потребляемой электрической энергии используется в нерегулируемом асинхронном электроприводе, в то же время необходимо признать, что в последние годы в некоторых производственных процессах стали применять частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Расчет мощности электродвигателей осуществляют по максимальной загрузке потребителя, время действия которой, в соответствии с графиками нагрузки для многих технологических процессов, не превышает 20-30% длительности эксплуатационного режима. Одним из перспективных направлений снижения энергопотребления является внедрение векторного управления частотно-регулируемого электропривода. Однако эффективность применения этого управления во многом определяется обоснованным использованием его для конкретных технологических процессов с учетом специфики сельскохозяйственного производства.

Вышеуказанное определяет актуальность обоснования векторного управления частотно-регулируемых асинхронных электроприводов а агропромышленном комплексе.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Социальное развитие села до 2010 года» и отраслевой программой «Энергосбережение в АПК на 2001-2006 гг.».

Цель и задачи исследований. Целью работы является снижение энергозатрат в технологических процессах АПК путем реализации векторного управления частотно-регулируемых электроприводов в механизмах вентиляторного типа.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать способы энергосбережения в АПК и определить области допустимых управлений в частотно-регулируемом асинхронном ЭП.

2. Использовать математическую модель частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением для проведения теоретических исследований.

3. Провести экспериментальные исследования режимов энергосбережения частотно-регулируемого ЭП насоса водоснабжающей установки.

4. Дать технико-экономическую оценку результатов исследования режимов энергосбережения частотно-регулируемого электропривода насоса водоснабжающей установки с векторным управлением.

Объект исследования. Режимы регулирования асинхронных ЭП с векторным управлением в технологических процессах АПК.

Предмет исследования. Параметрические закономерности процесса векторного управления частотно-регулируемых ЭП насосов.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе теоретических и экспериментальных методов: математического и физического моделирования исследуемых процессов с использованием современной измерительной и вычислительной техники и проведения статистической обработки экспериментальных данных.

Технико-экономическая оценка предложенной технологии энергосбережения выполнена в соответствии с методикой, разработанной в МГТУ-МЭИ и утвержденной министерством топлива и энергетики.

Научная новизна. Решение поставленных задач определило научную новизну диссертационной работы, которая заключается в следующем:

- теоретически обоснована целесообразность использования векторного управления автоматизированных частотно-регулируемых электроприводов механизмов вентиляторного типа с целью повышения энергосбережения в сельскохозяйственном производстве и быту населения;

- установлена полученная на математической модели взаимосвязь между основными факторами, влияющими на энергосбережение при работе системы ЭП насоса водоснабжающей установки;

- на базе математической модели с использованием критерия минимальных энергетических затрат сформулирован метод рационализации режимов водоснабжения, в результате чего достигается минимальное значение времени переходного процесса при регулировании скорости ЭП насоса.

Практическая ценность диссертации. Разработаны и экспериментально апробированы инженерные методики расчета систем управления асинхронным электроприводом, при котором достигается минимальное значение времени переходного процесса в режиме отработки малых рассогласований по управлению и возмущению.

При создании экспериментальной установки на базе персональной ЭВМ и транзисторного комплектного электропривода «Размер 2М-5-2», которая была испытана на водонасосной станции в опытно-производственном хозяйстве «Венгеровское» ООО «Новосибохота», предложен комплекс технических решений, позволяющих использовать преимущества синтезированного алгоритма управления АД.

Реализация результатов работы. Разработанное техническое задание по проектированию и расчету системы векторного управления частотнорегулируемого асинхронного электропривода принято для исполнения ГУ ОПКТБ СибНИПТИЖа.

Результаты работы используются в учебном процессе Новосибирского государственного аграрного университета для специальности 110302 -«Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ НГАУ в 2005 - 2006 г.г., на 5-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в мае 2006 года в г. Москве, на 9-ой Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» в июле 2006г. в Новосибирске, на 3-ей Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК» в октябре 2006г. в г. Новосибирске.

По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе одна в реферируемом журнале ВАК «Вестник КрасГАУ».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, включая 11 на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 4 таблицы.

Выводы по главе 4

1. Проведенная экономическая оценка системы водоснабжения сельского населенного пункт с векторным управлением частотно-регулируемого электропривода насосов и дросселированием показало, что при одинаковом напоре насосной установки предложенная система управления экономически выгодна за счет экономии затрат на электроэнергию, равную 6000 руб/год в расчете на насосную установку номинальной мощности 2,2 кВт.

2. Срок окупаемости затрат на установку системы векторного управления двигателем насоса при экономии электроэнергии и снижении расхода воды составит 11,5 месяца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретическое исследование частотно-регулируемого асинхронного электропривода, удовлетворяющего требованиям технологического процесса в части достаточного быстродействия в режимах сброса и наброса нагрузки, позволили получить следующие основные результаты.

1. Анализ электропотребления в АПК показал, что около 60% электрической энергии расходуется в нерегулируемом электроприводе с асинхронным короткозамкнутым электроприводом, что приводит к дополнительным энергозатратам. Внедрение векторного управления частотно-регулируемым приводом на базе современных преобразователей частоты позволяет экономить до 20% электрической энергии.

2. Реализация векторного управления позволяет наиболее полно использовать ресурс силового преобразователя по току, что имеет немаловажное значение при некоторых видах нагрузки. Вследствие этого повышается перегрузочная способность ЭП.

3. Использование управляющих воздействий по току и напряжению в традиционных системах векторного управления АД, работающих в режимах разделения процессов в каналах намагничивания и образования момента, позволяет сократить время переходных процессов.

4. Применение алгоритмов управления АД не требует принципиальных изменений в структуре многоканальной замкнутой САУ, синтезированной традиционными методами. Реализация их оправдана при реконструкции находящихся в эксплуатации асинхронных электроприводов, когда требуется увеличение быстродействия, а ресурс управления остается неизменным.

5. Разработана методика экспериментального исследования управления регулируемого электропривода, включающая описание примененных современных приборов и аппаратов на базе микропроцессорной техники и последовательность операций в процессе эксперимента. В качестве основного прибора использован контроллер семейства ПЛК MELSEC FX, позволяющий настроить систему в соответствии с необходимыми требованиями технологического процесса.

6. Использование в сельскохозяйственном производстве векторного управления АД только в системе водоснабжения позволит снизить энергозатраты до 20 %, расход воды - до 25 %. Годовой экономический эффект составит около 6 тыс. руб. в расчете на насосную установку (мощность электродвигателя 2,2 кВт) при сроке окупаемости затрат на установку системы управления менее 1 года.

7. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований векторного управления асинхронными двигателями различной мощности от 0,6 до 50 кВт показали высокую точность этих результатов для различных динамических моментов в режимах сброса и наброса нагрузки. Практическое применение алгоритмов управления создает возможность использования энергосберегающего векторного управления асинхронным электроприводом как при существующем, так и вновь разрабатываемом технологическом процессе.

1. Андриенко П. Д. Состояние и перспективы производства и разработки частотно регулируемых электроприводов общего назначения / П. Д. Андриенко, А. К. Кулиш, М. А. Сидорский // Автоматизированный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С. 423-426.

2. Андронов А. Л. Обоснование энергоэффективных режимов частотно-регулируемых электроприводов в агропромышленном комплексе : дис. . канд. техн. наук / А. Л. Андронов: Алт. гос. техн. ун-т. Барнаул, 2005.-180 с.

3. Аракелян А. К. Оптимизация работы автономного инвертора тока в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе / А. К. Аракелян, К. В. Солодов, Н. И. Шаварин // Электротехника. 2002. - № 1. - С. 19-23.

4. Артюшин А. А. Основные итоги и направления развития агроинженер-ной науки / А. А. Артюшин // Техника в сельском хозяйстве. 2003. - № 4.-С. 3-6.

5. Барский В. А. Создание серии 1GBT преобразователей частоты для регулируемых асинхронных электроприводов / В. А. Барский, М. Г. Брызгалов // Электротехника. 1999. - № 7. - С. 38-41.

6. Бернер М. С. Насосное и вентиляторное хозяйство в структуре современного производства / М. С. Бернер, Ю. К. Гальцев, А. Ф. Голыгин // Электротехника. -1995. № 7. - С. 23.

7. Борцов Ю. А. Автоматические системы с разрывным управлением / Ю. А. Борцов, И. Б. Юнгер. Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 168 с.

8. Браславский И. Я. О возможности энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов / И. Я. Браславский // Электротехника. 1998. - № 8. - С. 2-6.

9. Браславский И. Я. Энергосбережение средствами электропривода / И. Я. Браславский // Автоматизация и прогрессивные технологии : материалы межрег. семинара. Новоуральск, 1996.

10. Браславский И. Я., Зюзев А. М., Трусов Н. П. Сравнительный анализ способов регулирования подачи центробежных насосов / И. Я. Браславский, А. М. Зюзев, Н. П. Трусов // Электротехн. пром-сть. Сер. Электропривод. 1983, вып. 2 (112).

11. Бродовский В. Н. Приводы с частотно-токовым управлением / В. Н. Бродовский, Е. С. Иванов ; под ред. В. Н. Бродовского. М.: Энергия, 1974.-168 с.

12. Н.Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями / А. А. Булгаков. М.: Энергоиздат, 1982. - 216 с.

13. Бушуев В. В. Научно-технические и организационно-экономические проблемы внедрения энергосберегающих технологий / В. В. Бушуев и др. // Теплоэнергетика. 1997. -№11.

14. Бушуев В. В. Энергоэффективность как направление новой энергетической политики России / В. В. Бушуев // Энергосбережение. 1999. -№ 4. -С. 32-35.

15. Ващенко А. П. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. / А. П. Ващенко, Г. Б. Онищенко. М.: ВИНИТИ, 1988. - Вып. 6. - 96 с. - Итоги науки и техники. Сер. Электропривод и автоматизация промышленных установок.

16. Введение в энергосбережение / под ред. М. И. Яворского. Томск : Курсив, 2001.-218 с.

17. Виноградов А. Б. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом / А. Б. Виноградов, В. JI. Чистосердов // Электротехника. 2003. - № 7. - С. 7-17.

18. Войнова Т. В. Программные средства для исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как объекта регулирования / Т. В. Войнова // Электротехника. 1998. - № 12. - С. 2327.

19. Волков А. В. Идентификация потокосцепления ротора частотно-регулируемого асинхронного двигателя / А. В. Волков // Электротехника. 2002. -№ 6. - С. 40-46.

20. Востриков А. С. Синтез нелинейных систем методом локализации : учеб. пособие / А. С. Востриков. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1990. -120 с.

21. Глазенко Т. А. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности / Т. А. Глазенко, В. И. Хрисанов. -JI.: Энергоатомиздат, 1983. 176 с.

22. ГОСТ Р 51380-99. Энергосбережение. Методы подтверждения соответствия показателей энергетической эффективности энергопотребляющей продукции их нормативным значениям. Общие требования.

23. ГОСТ Р 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Общие положения.

24. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения.

25. Дартау В. А. Теоретические основы построения частотных электроприводов с векторным управлением / В. А. Дартау и др. // Автоматизированный электропривод. М.: Энергия, 1980. - С. 93-101.

26. Дацковский JI. X. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор) / JI. X. Дацковский и др. // Электротехника. 1996. - № 10. - С. 18-28.

27. Дьяконов В. Matlab 6 : учеб. курс. / В. Дьяконов. СПб. : Питер, 2001. -592 с.

28. Единицы физических величин : сб. норматив.-техн. документов. М. : Изд-во стандартов, 1987. - 176 с.

29. ЗЗ.Зинченко В. М. Опыт применения энергосберегающего электропривода на насосной станции МЭИ / В. М. Зинченко, Б. М. Сарач // Электротехника. 1995.-№ 7. - С. 21-22.

30. Иванов Г. Я. Частотно-регулируемый электропривод с векторным управлением для водоснабжения в АПК / Г. Я. Иванов, А. Ю. Кузнецов, П. А. Лисенков // Информационные технологии, системы и приборы в АПК : сб. научн. тр. Новосибирск, 2006. - С. 251-258.

31. Ильинский Н. Ф. Прикладные компьютерные программы для массового электропривода / Н. Ф. Ильинский // Электротехника. 1994. - № 7.

32. Ильинский Н. Ф. Энергосберегающий электропривод / Н. Ф. Ильинский // Энергия. 1999. - № 2.

33. Иванов И. И. Применение IGBT / И. И. Иванов, А. И. Колпаков // Электрон. компоненты. 1996. -№ 1 (2). - С. 12-15.

34. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины : учебник для вузов / А. В. Иванов-Смоленский. М.: Энергия, 1980. - 928 с.

35. Ильин В. К. Предпосылки к внедрению регулируемого электропривода на центральных тепловых пунктах г. Москвы / В. К. Ильин // Электротехника. 1995. -№ 7. - С. 16-18.

36. Ильинский Н. Ф. Регулируемый электропривод энерго- и ресурсосбережение / Н. Ф. Ильинский // Приводная техника. - 1997. - № 3. - С. 2123.

37. Ильинский Н. Ф. Электропривод и энергосбережение / Н. Ф. Ильинский // Электротехника. 1995. - № 9. - С. 24-27.

38. Ильинский Н. Ф. Энергосберегающий электропривод насосов / Н. Ф. Ильинский // Электротехника. 1995. - № 7. - С. 3-8.

39. Инструкция по расчету экономической эффективности применениячастотно-регулируемого электропривода / ВНИИЭ и МЭИ ; утверждена Минтопэнерго. -М.: ВНИИЭ, 1997.

40. Ишматов 3. Ш. О некоторых особенностях синтеза алгоритмов управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом / 3. Ш. Ишматов // Электротехника. 1998. - № 8. - С. 16-18.

41. Карпов В. Н. Введение в энергосбережение на предприятиях АПК / В. Н. Карпов. СПб.: СпбАУ, 1999. - 72 с.

42. Ключев В. И. Теория электропривода : учебник для вузов / В. И. Клю-чев. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

43. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода: учебник для вузов / С. А. Ковчин, Ю. А. Сабинин. СПб. : Энергоатомиздат, 1994. -496 с.

44. Копырин В. С., Ткачук А. А. Асинхронный частотно-управляемый отраслевой электропривод с эффективным инверторным торможением / В. С. Копырин, А. А. Ткачук //Промышленная энергетика. -1999. -№ 9.

45. Копырин В. С. Математическое моделирование асинхронного частотно-управляемого электропривода при рекуперативном торможении / В. С. Копырин, А. А. Ткачук // Электротехника. 1998. - № 8. - С. 19-25.

46. Кудрявцев А. В. Частотно-регулируемый электропривод насоса системы водоснабжения здания / А. В. Кудрявцев, Д. Д. Богаченко // Вестн. МЭИ. -1995. № 1. - С. 73-75.

47. Куликова JI. В. Теоретические аспекты эффективности внедрения систем с частотно-регулируемым электроприводом / Л. В. Куликова, A. JI. Андронов // Ползунов, альманах. Барнаул : АлтГТУ. - 2004. - № 1. -С. 104-109.

48. Куликова JI. В. Энергосберегающие режимы работы асинхронных двигателей / J1. В. Куликова, A. JI. Андронов // Вестн. алт. науки. Эффективность и безопасность энергосбережения. Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2004.-№ 1.-С. 145-151.

49. Лезнов Б. С. Применение регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения и водоотведения / Б. С. Лезнов, В. Б. Чебанов // Электротехника. 1995. - № 7. - С. 9-12.

50. Литвак В. В. Основы регионального энергосбережения / В. В. Литвак. Томск : Изд-во НТЛ, 2002. - 300 с.

51. Мартынов Б. А. О проделанной работе в области энергосбережения «Красноярскэнергонадзор» за 2000-2001 гг. и перспективах на 20022003 гг. / Б. А. Мартынов // Вестн. Краснояр. аграр. ун-та. Красноярск, 2002.-С. 9-15.

52. Масандилов Л. Б. Опыт разработки и применения асинхронных электроприводов с тиристорными преобразователями напряжения / Л. Б. Масандилов, В. А. Анисимов // Электротехника. 2000. - № 2. - С. 32-36.

53. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. М. : Минсельхозпрод РФ, 1998. -214 с.

54. Михайлов О. П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков / О. П. Михайлов. М. : Машиностроение, 1989. -224 с.

55. Мищенко Н. И. Современное состояние и тенденции развития электроприводов переменного тока для станкостроения и робототехники : обзор / ЦНТИ «Поиск». М., 1989. - Сер.13, № 110. - 68 с.

56. Панкратов В. В. Векторное управление асинхронными электроприводами : учеб. пособие / В. В. Панкратов. Новосибирск: изд-во НГТУ, 1999.-66 с.

57. Панкратов В. В. Методы синтеза систем автоматического управления электроприводами переменного тока, малочувствительных к изменениям параметров : дис. . д-ра техн. наук / В. В. Панкратов ; Новосиб. гос. техн. ун-т. Новосибирск, 1997. - 472 с.

58. Пелл Б. Р. IGBT-биполярные транзисторы с изолированным затвором / Б. Р. Пелл // Электротехника. 1996. - № 4. - С. 16-20.

59. Понтрягин Л. С. Математическая теория оптимальных процессов / Л. С. Понтрягин и др.. Физматгиз, 1961.

60. Попов А. Н. Частотное управление асинхронным двигателем / А. Н. Попов // Электротехника. 1999. - № 8. - С. 5-11.

61. Предельных уровни тарифов на электрическую и тепловую энергию : постановление Правительства РФ № 516 от 22 августа 2003 г.

62. Прудникова Ю. И. Компьютерная программа «Вентиляторы. Управление производительностью и экономия энергии» / Ю. И. Прудникова, С. И. Жарпиков // Тр. МЭИ. 1997. - Вып. 675.

63. Родионов Р. В. Особенности электропотребления комплектных приводов на базе преобразователей частоты с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором / Р. В. Родионов, М. В. Андрианов // Электротехника. 2002. - № 11. - С. 46-49.

64. Розанов Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем / Ю. К. Розанов. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 272 с.

65. Рудаков В. В. Электроприводы с оптимизацией рабочих режимов / В. В. Рудаков. JI.: Наука, 1970. - 127 с.

66. Рудаков В. В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В. В. Рудаков, И. М. Столяров, В. А. Дартау. Л. : Энергоатомиз-дат, 1987.- 136 с.

67. Сабинин Ю. А. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы / Ю. А. Сабинин, В. JI. Грузов. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 128 с.

68. Савин В. И. Развитие электроэнергетики России в период до 2010 г. / В. И. Савин // Промышленная энергетика. 1995. - № 4. - С. 2-5.

69. Садовский С. И. О некоторых аспектах энергосбережения / С. И. Садовский // Промышленная энергетика. 1999. -№ 12.

70. Сандлер А. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями / А. С. Сандлер, Р. С. Сарбатов. М.: Энергия, 1974. - 328 с.

71. Сарач Б. М. Энергосберегающая насосная станция (опыт практической реализации) / Б. М. Сарач // Вестн. МЭИ. 1995. - № 1.

72. Сарач Б. М. Опыт внедрения энергосберегающих насосных станций / Б. М. Сарач, И. Е. Хромых // Промышленная энергетика. 1997. - № 8.

73. Семидуберский М. С. Насосы, компрессоры, вентиляторы / М. С. Се-мидуберский. М.: Высш. шк., 1974. - 232 с.

74. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О. В. Слежановский, JI. X. Дацковский, И. С. Кузнецов и др. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с.

75. Смирнов И. М. Перспективы развития Единой энергетической системы России на период до 2010 г. / И. М. Смирнов и др. // Электрические станции. 1999. - № 9.

76. Справочник по преобразовательной технике / под ред. И. М. Чиженко. -Киев : Техшка, 1978. -447 с.

77. Терехов В. М. Современные способы управления и их применение в электроприводе / В. М. Терехов // Электротехника. 2000. - № 2. - С. 25-28.

78. Федеральная целевая программа «Социальное развитие села до 2010 года» : Постановление Правительства РФ от 3.12.2002 г. № 858. / Мин-во сел. хоз-ва. М., 2002.

79. Федеральная целевая программа «Энергосбережение России основа энергосберегающей политики государства в регионах и отраслях экономики на 1998-2005 гг.» / Минтопэнерго, Рос. агентство энергоэффективности. - М., 1998.

80. Федеральный закон № 28-ФЗ «Об энергосбережении» от 3 апр. 1996 г.

81. Фельдман Ю. И. Состояние и перспективы развития автоматизированных электроприводов с преобразователями частоты для крановых и судовых грузоподъемных механизмов / Ю. И. Фельдман и др. // Электротехника. 1995. - № 10. - С. 2-5.

82. Фоменков А. П. Электропривод сельскохозяйственных машин, агрегатов и поточных линий / А. П. Фоменков. М.: Колос, 1984. - 288 с.

83. Фролов В. А. Оценка качества и цены энергии / Фролов В. А. // Вестн. Краснояр. аграр. ун-та. Красноярск, 2002. - С. 101-103.

84. Хрилев Л. С. Энергосбережению экономическую и правовую основу / Л. С. Хрилев, В. М. Васильев, Б. А. Давыдов // Теплоэнергетика. 1995. -№6.

85. Цугленок Н. В. Нормирование потребления электрической энергии на предприятии как основа энергосбережения / Н. В. Цугленок, Н. Б. Ми-хеева //Вестн. Краснояр. аграр. ун-та. Красноярск, 2002. - С. 98-101.

86. Чаки Ф. Современная теория управления / Ф. Чаки. М.: Мир, 1975. -326 с.

87. Чиликин М. Г. Общий курс электропривода / М. Г. Чиликин, А. С. Сандлер. -М.: Энергоиздат, 1981.

88. Чуев П. В. Преобразователи частоты «Универсал» с двухзонной системой векторного управления асинхронными двигателями / П. В. Чуев // Электротехника. 2002. - № 11. - С. 18-24.

89. Шичков Л. П. Электрооборудование и средства автоматизации сельскохозяйственной техники / Л. П. Шичков, А. П. Коломиец. М.: Колос, 1995.-368 с.

90. Шиянов А. И. Электропривод переменного тока с несинусоидальными фазными токами / А. И. Шиянов // Автоматизир. электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1990. - С. 22-30.

91. Шрейнер Р. Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами / Р. Т. Шрейнер, Ю. А. Дмитриенко. Кишинев : Штиинца, 1982.-224 с.

92. Шрейнер Р. Т. Исследование оптимальных по быстродействию процессов изменения скорости асинхронного двигателя при частотном управлении / Р. Т. Шрейнер, М. С. Карагодин // Изв. вузов. Электромеханика.-1973.-№9.-С. 1013-1019.

93. Шубенко В. А. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением / В. А. Шубенко, И. Я. Браславский. М. : Энергия, 1972.-200 с.

94. Электроэнергетика России. История и перспективы развития / под общ. ред. А. Ф. Дьякова. -М.: АО «Информэнерго», 1997.

95. Электропривод асинхронный глубокорегулируемый комплектный «Размер 2М-5-2» : техн. описание, ЗВЯ.011.034 ТО.

96. Ямамура С. Спирально-векторная теория электрических цепей и машин переменного тока / С. Ямамура. Ч. 1-2. - СПб. : МЦЭНиТ, 1993.

97. Ямамура С. Спирально-векторная теория электрических машин переменного тока / С. Ямамура // Электротехника. 1996. - № 10. - С. 7-15.

98. Aaltonen М. Direct Torque Control of AC motor drives / M. Aaltonen, P. Titinen, J. Lalu, S. Heikkila // ABB Review. 1995. - № 3. -P. 19-24.

99. Alashhab F. Matrix transformation analysis to denive unique features of FOC and FAM induction motor control / F. Alashhab, R. Hoft, A. Kawa-mura // IEEE/IAS (Ind. Appl. Soc.), 20 th Annual meetinq, Toronto, 6-11 oct. 1985.-P. 586-600.

100. Bausch H. Transient performance of induction machines with field oriented control / H. Bausch, H. Hontheim // 2 Int. Conf. Electrical Machines-Design and Applications, 17-19 sept. 1985-P. 199-203.

101. Broeck H., Skudelny H. Ch., Stanke G. Analysis and realization of a wi. modulator hased on voltage spase vectors // IEEE/IAS Ind. Appl. Soc. 21. an sep., 28 oct., 3.1986. - P. 244-251.

102. Hirose K. Comparison of field oriented and field acceleration methods of induction motor control / K. Hirose, A. Kawamura, R. Hoft // IEEE Power Electron Spec. Conf., 1984.-P. 170-180.

103. Microprocessor-based vector control system for induction motor drives with rotor time constant identification function / M. Koyama, M. Yano, I. Kamiyama, S. Yano // IEEE/IAS (Ind. Appl. Soc.), 20 th Annual meetinq, Toronto, 1985. P. 564-569.

104. Simens : офиц. сайт компании Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.siemens.ru./. - Загл. с экрана.