автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающий комплекс "компенсированный выпрямитель-электропривод постоянного тока с нечетким регулятором скорости"

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Энергетический канал электропривода

1.2. Энергетические показатели управляемых преобразователей переменного тока в постоянный

1.3. Питающая сеть 36 ВЫВОДЫ

2. НЕЧЕТКОЕ УПРАВЛЕНИЕ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

2.1. Перспективы применения нечеткого управления в электроприводе

2.2. Синтез стабилизации скорости системы «управляемый выпрямитель-двигатель постоянного тока с нечетким регулятором»

2.3. Автоматизированный расчет

2.4. Моделирование системы на базе нечеткого регулирования

2.5. Построение графиков переходных процессов системы управления на базе нечеткого регулятора

2.6. Сравнительный анализ результатов моделирования 69 ВЫВОДЫ

3. РЕГУЛИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С УЛУЧШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

3.1. Особенности построения вентильных преобразователей переменного тока в постоянный па базе полностью управляемых приборов и устройств

3.2. Установившиеся режимы и энергетические характеристики компенсированного преобразователя с конденсаторным фильтром

ВЫВОДЫ 107 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА «КОМПЕНСИРОВАННЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ -ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЧЕТКИМ

РЕГУЛЯТОРОМ СКОРОСТИ»

4.2. Обобщенное представление эффективности применения полупроводниковых преобразователей для питания регулируемых электроприводов

4.1. Расчет универсальных характеристик узла искусственной коммутации компенсированного выпрямителя

4.3. Методика определения экономической эффективности использования компенсированного выпрямителя

4.4. Сравнительный анализ показателей компенсированных выпрямителей и выпрямителей с естественной коммутацией

ВЫВОДЫ

Актуальность работы. В настоящее время, когда каждая новая тонна первичных энергетических ресурсов (угля, нефти, газа и т.д.) обходится существенно дороже, чем ранее добытая, неизмеримо возросла роль энергосберегающей политики. Одной из важнейших в политике энергосбережения является проблема снижения потерь и повышения качества электрической энергии в электрических сетях, питающих установки энергоемкой электротехнологии, горнорудного железнодорожного транспорта и других производств, где потребление энергии осуществляется на постоянном токе.

В агрегатах, состоящих из электродвигателя и рабочей машины, энергосбережения можно добиться двумя основными способами: искать новые научно-технические и конструктивные решения для обоих компонентов агрегата, обеспечивающих повышение его КПД (т.е. снижения потерь в процессе преобразования электрической энергии в механическую или иную); искать пути выполнения технологического процесса с наименьшими энергетическими затратами во всех звеньях от источника питания до последней стадии процесса.

Первый путь в электромеханике был исчерпан к 90-м годам XX века, когда КПД электроприводов и большинства машин превысили значения 0,9. Естественно, поиски новых конструкций (модернизаций) идут и в настоящее время. Но, при этом, в энергосбережении можно выиграть только единицы или доли процента. Второй путь - это рациональный способ преобразования механической энергии, развиваемой электроприводом, в полезную через более совершенную технологию - актуален. Так, например, если регулируемый электропривод не участвует непосредственно в технологическом процессе, то добиться значительной величины энергосбережения невозможно. И наоборот, если регулируемый электропривод функционально завязан в технологии, то эффективность энергосбережения резко возрастает.

Наибольший эффект достигается при системном подходе к энергосбережению в электротехнических системах, увязывая решение задач электромагнитной совместимости элементов силового электрооборудования с параметрами сети и задачи энергосбережения в технологическом оборудовании в единый комплекс. Так, в комплексе «управляемый выпрямитель - электропривод постоянного тока» энергосбережение может быть достигнуто за счет более совершенных систем управления электроприводами и применения новой технологии преобразования переменного тока в постоянный.

Суть этой технологии преобразования состоит в организации комбинированной коммутации, когда катодная (или анодная) группа работает в режиме искусственной коммутации с опережающими углами управления, а анодная (или катодная) группа - в режиме естественной коммутации. Такие преобразователи получили название компенсированных. Они отличаются от обычных управляемых выпрямителей и выпрямителей с искусственной коммутацией в анодной и катодной группах по энергетическим показателям и по более улучшенной электромагнитной совместимости с питающей сетью.

Таким образом, для энергосбережения системный подход к решению задач в области создания автоматизированных электроприводов и энергосберегающих технологий преобразования переменного тока в постоянный является актуальным.

Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы в соответствии с Федеральным законом «Об энергосбережении» и с указанием Государственного комитета РФ по высшему образованию в Воронежском государственном техническом университете.

Целью работы является разработка энергосберегающего комплекса «компенсированный выпрямитель - электропривод постоянного тока» посредством применения технологии нечеткого управления и компенсированного выпрямителя с улучшенными энергетическими показателями, позволяющего эффективно экономить электроэнергию.

Идея работы заключается в разработке нечеткой системы управления регулируемым электроприводом постоянного тока с применением компенсированного выпрямителя, обладающего новыми качественными показателями.

Задачи работы. Для разработки и исследования энергосберегающего комплекса «компенсированный выпрямитель - электропривод постоянного тока с нечетким регулятором скорости» поставлены следующие задачи:

- анализ энергетических характеристик всех элементов силового канала, участвующих в передаче, преобразовании и потреблении энергии с целью выявления энергетических затрат в элементах с целью повышения эффективности комплекса в целом и определении путей энергосбережения в системе;

- разработка и исследование нечеткой системы управления электроприводом постоянного тока, инвариантной к изменению параметров элементов силовой части;

- разработка и исследование быстродействующего выпрямителя с энергосберегающей технологией преобразования переменного тока в постоянный с одновременным улучшением электромагнитной совместимости с питающей сетью;

- определение энергетических показателей компенсированных выпрямителей и их сравнительный анализ с выпрямителями, работающими при естественной коммутации вентилей;

- разработка универсальных характеристик узла искусственной коммутации в компенсированном выпрямителе;

- разработка методики определения технико-экономических показателей компенсированного выпрямителя. 1

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

- проведен системный анализ энергетических процессов в силовом канале регулируемого электропривода постоянного тока, позволивший оптимизировать работу отдельных узлов и пути по энергосбережению;

- синтез системы стабилизации скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения на базе нечеткого регулятора, обладающей свойствами инвариантности к изменению параметров элементов и внешним воздействиям;

- предложен компенсированный выпрямитель с модернизированным узлом защиты от перенапряжений в звене искусственной коммутации, обладающий новыми энергосберегающими свойствами по сравнению с выпрямителями при естественной коммутации;

- разработаны универсальные характеристики узла искусственной коммутации, позволяющие осуществлять проверку на нагрев двигатель, определять энергетические показатели узла - КПД и коэффициент мощности;

- разработана методика определения технико-экономических показателей компенсированного преобразователя.

Практическая значимость работы:

- применение в структуре управления электроприводом нечеткого регулятора придает системе свойства невосприимчивости (инвариантности) к изменениям параметров системы и внешних возмущений, позволяет сделать ее структуру гибкой и использовать в нелинейных системах;

- применение комбинированной искусственной коммутации позволило получить новые качественные изменения в режиме работы выпрямителя: исключен обмен реактивной мощностью между сетью и выпрямителем при любых углах управления; потребляемая из сети мощность определяется только активной составляющей и мощностью искажения, существенно сокращаются потери активной энергии и улучшается электромагнитная совместимость с питающей сетью.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использованы структурные методы теории автоматического регулирования, математический аппарат нечеткой логики, теория электрических цепей, методы моделирования динамических процессов на ЭВМ, сравнение с результатами, полученными другими исследователями.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений диссертационной работы, конкретных выводов и рекомендаций, адекватность предложенных моделей и методик подтверждены положительными результатами сравнительного анализа данных моделирования и расчета отдельных узлов, а также результатами, полученными другими авторами.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный компенсированный выпрямитель с улучшенными энергетическими показателями и полученные универсальные характеристики узла искусственной коммутации используются при выполнении проектных работ в ОАО «Липецкий гипромез».

Кроме того, основные практические и теоретические результаты работы используются в учебном процессе при прохождении производственных практик, при выполнении курсовых и дипломных работ на кафедре электромеханических систем и систем электроснабжения Воронежского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй всероссийской научно-практической конференции: «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (Новокузнецк, СибГИУ, 2004); IV и V Международных научно-практических конференциях: «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ), 2004, 2005); Международной школе-конференции «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, ВТЭС, 2005); XII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2006», (Томск, ТПУ, 2006).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе 6 без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце работы, лично соискателем предложены: в [155, 158] - исследованы установившиеся режимы и энергетические характеристики компенсированного преобразователя с конденсаторным фильтром; [157] — разработка компенсированного выпрямителя с модернизированным узлом защиты от перенапряжений в звене искусственной коммутации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 158 наименований и 8 приложений. Основная часть изложена на 147 страницах текста, содержит 48 рисунков, 12 таблиц. Приложения на 83 страницах содержат 17 таблиц и 40 рисунков.

ВЫВОДЫ

1. Сравнительный анализ переходных процессов в классической и нечеткой системах управления показал: Режим 1. Система стабилизации скорости на базе нечеткого регулятора при скачкообразном изменении сигнала задания обеспечивает время переходного процесса по скорости сопоставимое с аналогичным в классической системе. При этом следует отметить полное отсутствие перерегулирования как при положительных, так и при отрицательных скачках напряжения задания. Режим 2. При скачкообразном изменении момента нагрузки на валу двигателя фаззи-система обеспечивает на 50-70% меньшие провалы в скорости по сравнению с классической системой. Режим 3. В данном режиме проявляются основные преимущества фаззи-системы. При изменении скорости фаззи-система практически идеально (то есть без ошибки) отслеживает 4 Гц синусоидальный сигнал задания по скорости, в то время как максимальная ошибка в классической системе в установившемся режиме достигает 50 % от заданного значения скорости. Режим 4. Подтверждением свойств невосприимчивости фаззи-систем к ограниченным изменениям их параметров. Реакция по скорости классической системы на скачок задания при номинальном моменте инерции полностью соответствует расчетной. Однако при увеличении момента инерции на валу в три раза относительно расчетного значения настройки ПИ-регуляторов сбиваются. Это приводит к повышению на 15% перерегулирования по скорости и увеличению времени переходного процесса практически в три раза.

2. Являясь альтернативой системам управления, построенным на классических принципах, HP в последнее время так же стали находить широкое применение в электроприводах, где в ряде случаев они способны обеспечить более высокие показатели качества переходных процессов по сравнению с классическими законами.

3. Использование ПИ-регуляторов в системах подчиненного регулирования позволяет добиться хорошего качества переходного процесса. Однако они не дают ожидаемого результата при изменяющихся во времени параметрах системы.

4. Применение в структуре привода нечеткого регулятора придает системе свойство невосприимчивости к ограниченным изменениям параметров системы и внешних возмущений. Кроме того, нечеткие регуляторы обладают очень гибкой структурой, что позволяет использовать их в нелинейных системах.

5. Возможно применение нечеткого регулятора для корректировки параметров классических ПИ-регуляторов с целью адаптации последних к изменяющимися параметрами.

Заключение 19-24

Заключение с 10 правилами 14-18

Заключение с 15 правилами 16,5-21

Заключение с 3 синглетонами 17,5-22

Заключение с 7 синглентонами 20,5-26

Заключение с 3 функциями принадлежности 17,5-21,5

Заключение с 7 функциями принадлежности 19,5-25

Учитывая параметры двигателя, в частности, его максимальную скорость (сотах=180 1/с), определим диапазон изменения входной переменной e(t) e(t)=[-360;+360], 1/c.

Таким образом, максимальное значение переменной de(t)/dt будет равно dE(t)/dt)max=±emax/T6; de(t)/dt)max=±l 80/0,015=±12000, 1/с2.

Диапазон изменения переменной de(t)/dt (допустимого ускорения двигателя) de(t)/dt=[-12000;+12000], 1/с2.

Диапазон изменения входной переменной dc(t)/dt рассчитывается из условия появления максимально возможной ошибки за базовое время Тб. При этом следует учитывать, что максимальная ошибка, в свою очередь, определяется, исходя из величины максимально возможного скачка по скорости

Emax=±2-(dco)max; emax=±2-90=180, 1/с.

Разделение входных переменных на диапазоны с помощью соответствующих функций принадлежности выглядит следующим образом, приведенным на рис.2.8.

1.0

NEC -------Л

-12000 -9000

-3000 0 3000

9000 12000 dc/dt,l/c2

Ц а

Л NEGATIVE

ZERO

POSITIVE

-360 -20 6 20 360 б, 1/с

Рис.2.8. Распределение функций принадлежности на диапазоны

Рис.2.9. Поверхность управления

Следует отметить, что логические фаззи-правила составляются так, чтобы обеспечить сведение максимальной ошибки к нулю за минимально возможное время, то есть для обеспечения оптимальных параметров переходных процессов по скорости. После определения параметров всех переменных и составления базы правил непосредственно этап проектирования фаззи-регулятора закончен. По составленной модели регулятора платформой была построена поверхность управления, которая изображена на рис.2.9. Относительная гладкость поверхности и отсутствие резких переходов говорит об отсутствии грубых ошибок и недочётов, допущенных на фазе проектирования системы.

2.3. Автоматизированный расчет

В дальнейшем для анализа работоспособности проектируемая система (фаззи-регулятор) была смоделирована с помощью инструментария Fuzzy Tech 5.12 путём ввода всех рассмотренных и рассчитанных выше ее параметров. При этом платформой была автоматически сгенерирована соответствующая документация о проекте, переведённый вариант которой представлен ниже.

В начале приводится общая информация: перечень сокращений представлен в табл.2.3.

1. Рис. 3.3. Временные графики при комбинированной системе коммутации

2. Силовая электроника заняла прочное и определяющее место ,во всех областях народного хозяйства и вышла на уровень ведущих технологий.

3. Особенности построения ветильных преобразователейпеременного тока в постоянный на базе полностью управляемых приборов и устройств

4. Установившиеся режимы и энергетические характеристикикомпенсированного преобразователя с конденсаторным фильтром

5. Рис. 3.4. Схема преобразователя с конденсаторным фильтром на первом (а) и втором (б) этапе коммутации

6. Рис. 3.5. Принципиальная схема компенсированного преобразователя

7. Рис. 3.6. Расчетные схемы замещения токопроводящих цепей преобразователя на интервалах повторяемости

8. Начальное значение переменных3.1)

9. U°H4n.; ici.(°)=°; uc,(o)=uctn].