автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Идентификация параметров моделей асинхронных двигателей для систем электроснабжения по частотным характеристикам

, 6 оа

л ц №

ГУЧАПШЕВ Хусейн Музарифович

*

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПО ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар 1998

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете. ...

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор,

КОРОБЕЙНИКОВ Б.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор КУЦЕНКО А.Н. -кандидат технических наук, доцент КОСОЛАПОВ A.B.

Ведущее предприятие - ДАО "Электрогаз"

Защита диссертации состоится 1998г. в

час. на заседании диссертационного совета К 063.40.06 Кубан-

ского государственного технологического университета (Краснодар, ул. Красная, 135, ауд. 80).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета -350072, Краснодар, ул. Московская, 2.

Автореферат разослан "¡^JL. " jgggj.

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.40.06, к.т.н., доцент .,/ В.И.Лойко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Системы электроснабжения промышленных предприятий представляют собой сложные электротехнические комплексы, содержащие большое количество различных элементов и являются, как правило, многомашинными.

В системах электроснабжения предприятий возникают различные аварийные ситуации, которые сопровождаются кратковременными снижениями напряжения, сбросом нагрузки, отключением при коротких замыканиях, что может привести к нарушению технологического процесса на предприятии, к значительному материальному ущербу.

Для предприятий с непрерывным технологическим процессом в таких отраслях промышленности как газовая, нефтяная, химическая, горная характерны значительное количество двигателей, высокая энергоемкость технологического процесса, жесткие требования к надежности электроснабжения потребителей. Аварийные ситуации в системах электроснабжения таких предприятиях являются тяжелыми, имеют весьма неблагоприятные последствия и требуют быстрой ликвидации. Возникающие при этом переходные процессы трудно рассчитываются, а информация о состоянии системы электроспаб- ; жения, полученная из них требует быстрой обработки средствами релейной защиты и противоаварийной автоматики. Применение современной релейной защиты с использованием вычислительной техники вызывает необходимость проведения расчетов переходных процессов по мгновенным значениям электрических величин.

Анализ потребителей большинства предприятий показывает, что около 70% потребителей электрической энергии являются асинхронные двигатели. Поэтому определение параметров их моделей является важной задачей, так как от вида модели и точности определения параметров двигателей зависит точность расчетов переходных процессов в системах электроснабжения.

При этом параметры модели асинхроппых дПлГгателей можно определить по каталожным и по экспериментальным данным. Более точные данные получаются при определении параметров модели по результатам эксперимента.

Для мощных высоковольтных асинхронных двигателей экс-

перпментальные исследования проводятся, как правило, в системе электроснабжения при их питании через трансформаторы, кабели с учетом влияния других электрических нагрузок предприятий, что может оказать существенное влияние на результаты эксперимента.

Из всех существующих методов определения параметров моделей асинхронных двигателей на основе экспериментальных исследований, наиболее предпочтительными являются методы, использующие частотные характеристики двигателей. Это основано на том, что частотные характеристики асинхронных двигателей содержат всю инф9рмацию об их динамических свойствах, и при решении задачи параметрической идентификации с применением частотных характеристик выполняются операции с алгебраическими выражениями, что значительно упрощает поиск минимума целевой функции с применением методов нелинейного программирования.

Целью работы является разработка методики идентификации параметров моделей асинхронных двигателей по частотным характеристикам для систем промышленного электроснабжения.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: '

- проведен анализ существующих методов моделирования глубо-копазных асинхронных двигателей, получения их частотных характеристик, а также методов определения параметров асинхронных двигателей по экспериментальным данным;

- получены частотные характеристики для асинхронных двигателей в различных системах координат,

- разработаны методики получения частотных характеристик объекта из переходных зависимостей;

- разработана методика получения частотных характеристик для глубокопазных асинхронных двигателей по результатам эксперимента при пуске;

- разработана методика идентификации параметров глубокопазных асинхронных двигателей по частотным характеристикам с применением алгоритмов нелинейного программирования;

- проведено определение параметров моделей для серии глубокопазных асинхронных двигателей на основе их частотных характеристик.

Методика исследования. При решении поставленных за-

дач использовалась обобщённая теория электрических машин и методы их математического моделирования, теория оптимизации и методы нелинейного программирования, теория интегральных преобразований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика получения частотных характеристик для асинхронных двигателей исходя из их моделей.

2. Разработана методика получения частотных характеристик для асинхронных двигателей по результатам эксперимента исходя из разбиения интервала переходного процесса на ряд подинтервалов.

3. Разработан метод идентификации параметров модели асинхронного двигателя по его частотным характеристикам на основе теории оптимизации с ограничением по условиям физической реализуемости. . .

4. Разработана методика определения начального вектора параметров асинхронного двигателя и ограничений на них по условиям физической реализуемости.

Автор выноснт па защиту:

1. Математическую модель глубокопазного асинхронного двигателя в частотной области.

2. Методику идентификации параметров модели асинхронного двигателя но частотным характеристикам, полученных в результате эксперимента в системе электроснабжения.

3. Результаты определения параметров моделей асинхронных двигателей при использовании частотных характеристик по скольжению и по частоте.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработала методика получения частотных характеристик асинхронных двигателей в различных системах координат.

- 2. Разработана методика идентификации параметров модели асинхронных двигателей по экспериментальным данным, получепным при пуске двигателя. _ _

Исследования по теме диссертации производились в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры "Электроснабжение промышленных предприятий" Кубанского государственного технологического университета.

Результаты работы внедрены в ДАО "Электрогаз", в АО "КабБалкэнерго", в учебном процессе по курсам "Переходные процессы в системах электроснабжения" и "Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения".

Апробирование работы. Основные положения работы докладывались на заседаниях научных семинаров кафедр "Электроснабжение промышленных предприятий", "Электротехника" Кубанского государственного технологического университета; на международном научно-техническом семинаре "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях", г. Рязань, 1997г.; на семинаре АН РФ "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий", г. Новочеркасск, 1997г.; на региональной научно-практической конференции "Повышение эффективности электротехнических комплексов и энергетических систем" г. Краснодар, 1998г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опу-бликованно 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 158 страниц, 59 рисунков, 7 таблиц. Библиография состоит из 84 наименованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены ее основная цель, решаемые в ней задачи и основные научные положения, выдвинутые на защиту.

В первой главе рассмотрены системы электроснабжения промышленных предприятий, режимы работы, а также вопросы получения их моделей, состоящих из моделей отдельных элементов. Так как значительную часть нагрузок промышленных предприятий составляют асинхронные двигатели, то от полноты представления моделей которых и точности определения их параметров зависит точность расчетов переходных процессов. Указано, что более точные результаты дает определение параметров моделей по экспериментальным данным, полученным из опытов пуска и выбега, которые

позволяют полностью учитывать динамику работы двигателей и не создают аварийных ситуаций в системе электроснабжения. Сделан анализ существующих моделей глубокопазных асинхронных двигателей, из которого делается вывод о том, что наиболее предпочтительной является модель в виде электрической цепи в координатах обобщенного вектора. Из указанной модели возможно получение частотных характеристик асинхронных двигателей, которые содержат ипформацию об их динамических свойствах. Ставится задача получения обобщенных частотных характеристик асинхронного двигателя, зависящих как от частоты, так и от скольжения. Так же делается анализ методов определения параметров асинхронных двигателей по экспериментальным данным, которые имеют следующие недостатки: не учитывают условия физической реализуемости; отсутствует обоснование выбора исходного начального вектора параметров; нет универсальной методики определения параметров исходя из обобщенной частотной характеристики.

Ставится задача создания методики идентификации параметров моделей асинхронных двигателей по частотным характеристикам, полученным на основе экспериментальных данных.

Вторая глава посвящена математическому моделированию глубокопазных асинхронных двигателей в частотной области. Получены математические модели двигателей в виде электрических цепей с зависимыми источниками. Более удобной представляется модель асинхронного двигателя в координатах обобщенного вектора (рисунок 1). Уравнение состояния, характеризующее указанную модель следующее:

= + + (1)

где

и, о о

1г =

г,

Ы ¿г2

Рисунок 1 -

Схема модели глубокопазного асинхронного двигателя для анализа переходных процессов в координатах обобщенного вектора

Д.

Дп

Лг2

Ьр =

и м м ■

М Ьт 1 м • М М Ьл •

М М' м • м м

зМ зХГ1 М зМ зМ э1,г2

зМ вМ зМ

•йгп

м м м

м

зМ

Й/г - матрица активных сопротивлений;

Ьр - матрица индуктивностей;

- матрица, характеризующая зависимые источники в контурах.

Применяя преобразование Лапласа к матричному уравнению (1) и полагая р = 310 можно получить частотную характеристику глубокопазного асинхронного двигателя в координатах обобщенного вектора:

ИМ.И = {л5 + Цы + ие) ■ Ьв + {ш1г„ + X

х \щ+лиц+^опг1 ■ (^¿г; -ч^С)}-1 (2)

где

Ял

' л-''

Хг1 м ... м

л/ ... м

м м '«• -¿гл

Выражение для частотной характеристики (2) является обобщенным и применимо для любого количества контуров на роторе.

Получены аналитические выражения для частотных характеристик асинхронного двигателя при трехконтурной, двухконтурной и одноконтурной моделях ротора. Для одноконтурной модели ротора частотная характеристика следующая:

О + З^и

(С -и^ + зиВ'

(3)

где

А В С О

Й,-Яг — • А + ]и!,(8 Н^Ьг + Пг • Ьг)\ Лг + ]8Ш,ЬТ.

Исследования частотных характеристик асинхронных двигателей показали, что они имеют вполне определенные закономерности, на рисунке 2.и рисунке 3 представлены действительная и мня-мая части частотной характеристики для АТД-2000 при скольжении в = 0,8.

Получены также частотные характеристики от скольжения для асинхронного двигателя:

= [Я, + зш,Ь, + • (Яг + заш,1гТ1 • Щ'1. (4)

Для проведения расчетов частотных характеристик с применением ЭВМ, для дискретных отсчетов по частоте, предложено производить определение частоты ограничения на основе е-алгоритма." Для вычисления импульсной реакции при использовании дискретного преобразования Фурье необходимо создать две смещенные числовые последовательности на интервал дискретизации, найденные как реакция системы на входное единичное воздействие.

Разработана методика получения частотных характеристик для глубокопазпых асинхронных двигателей по осциллограмме пуска. При этом переходный процесс разбивается на п участков.

Для первого интервала времени частотная характеристика

уг1 0") =°л

<*1 + + X — 1] +

+ —• - 1]. (5)

Для интервала i после преобразований

а>- + Ци, + ш) 1 ]

отн.ед,-

Яе[1¥]

-50,6 -50,4 -50,2 -50,0 -49,8

-49,4

Рисунок 2 - Действительная часть частотной характеристики для асинхронного двигателя АТД-2000 при скольжении в = 0,8

1т[]¥]

-30»

-50,6 -50,4 -50,2 -50,0 -49,8 Гц -49,4

Рисунок 3 - Мнимая часть частотной характеристики для асинхронного двигателя АТД-2000 при скольжении в = 0,8

Е*

а\ - + и) Для последнего интервала п

ш (ш) = Р • е-*** +_—--[-»„-.К«.-и<)]«» _

"п - Дш, + й) Результирующая частотная характеристика равна

= (8) ¡=1

Для асинхронного двигателя АНЗ-2-16-57 по результатам эксперимента при пуске были получены экспериментальные частотные характеристики.

В третьей главе разработан метод идентификации параметров модели глубокопазных асинхронных двигателей по частотным характеристикам. Если в общем виде частотная характеристика модели глубокопазного асинхронного двигателя задана согласно выражения (2), то ошибка между частотной характеристикой модели и экспериментальной для каждой частоты равна

е(к, Ли) = 1Ут(к, Ди) - УГ.(к, Ди»), (9)

где \Ут{к, Дш) - частотная характеристика модели;

\¥а(к,Аи)) - экспериментальная частотная характеристика;

О < & < ЛГ - 1

Целевая функция при этом определяется как

¿:\е(к,Ьы)\*. (ю)

*=0

где У - вектор параметров модели.

Для учета физической реализуемости в рассматриваемую задачу необходимо ввести ограничения

Ау< Ух <Ви , . А2< У2 <В2, ; (11)

Ап < У„ < Вп.

Так как целевая функция F(У) является многоэкстремальной, то необходимо вести поиск глобального минимума, что представляет собой довольно сложную Задачу. Более целесообразным представляется путь решения поставленной задачи вывода из рассмотрения локальных минимумов путем наложения ограничения на параметры и сведение задачи к одноэкстремальному виду. Анализ существующих методов поиска минимума целевой функции для решения задачи параметрической идентификации показал, что наиболее предпочтительным является метод Дэвидона-Флетчера-Пауэла.

Для расчета начального вектора параметров математической модели асинхронного двигателя предложены аналитические выражения для их определения исходя из каталожных данных.

Для выбора ограничений на параметры с целью поиска глобального минимума целевой функции были проведены исследования целевых функций 1Г(У), которые позволили оценить их закономерности, характерные для глубокопазных асинхронных двигателей, рисунки 4 и 5. Исследования для серии асинхронных двигателей также позволили выявить целесообразные величины ограничений сверху и снизу для идентифицируемых параметров.

В четвертой главе рассмотрено определение параметров математических моделей глубокопазных асинхронных двигателей по экспериментальным данным. Для проверки и оценки предлагаемой методики идентификации параметров для глубокопазных асинхронных двигателей по частотным характеристикам от скольжения были

Рисунок 4 - Линии уровня целевой функции для трехконтурной модели асинхронного двигателя АТД - 500 на подпространство параметров гг1 и 1аг1

отн.ед.

1.6

0,8

О 0,02 0,04 0,06 0,08 отн.ед. 0,12

1 - АТД-500; 2 - АТД-630; • З-АТД-800; Г 4 - АТД-2000; 5-АТД-3200; 6-АТД-5000.

Рисунок 5 - Сечение целевой функции Р(У) для двухконтурной модели серий асинхронных двигателей по активному сопротивлению гг1

/ м

отн.ед. отгиед.

1 - исходная зависимость 1(х); 2-расчетнаязависимость " 3 - расчетная зависимость М(з).

Рисунок 6- Пусковые характеристики асинхронного двигателя АТД-1250

определены параметры моделей для серии асинхронных двигателей типа АТД. Анализ показал на хорошую сходимость результатов, погрешность идентификации не превосходила 5%, рисунок 6.

Реализация предложенной методики идентификации параметров модели асинхронного двигателя по частотным характеристикам рассмотрена на примере асинхронного двигателя АЗ-12-52.

Для оценки применимости предложенных моделей глубоко-пазных асинхронных двигателей в системах электроснабжения было проведено сравнение результатов экспериментальных исследований пуска и расчетов на основе модели с параметрами, идентифицируемыми по разработанной методике, для установки ДМТ Афинского нефтеперерабатывающего завода.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. При определении параметров моделей глубокопазных асинхронных двигателей наиболее точные результаты дают экспериментальные исследования, полученные при пуске и выбеге, которые позволяют учитывать динамику работы двигателей и не создают аварийных ситуаций в системе электроснабжения.

2. Получены аналитические выражения в матричной форме для частотных характеристик глубокопазных асинхронных двигателей в различных системах координат.

3. Разработана методика получения частотных характеристик асинхронных двигателей исходя из экспериментальных данных при пуске с учетом разбиения всего интервала переходного процесса на отдельные подинтервалы.

4. Предложена методика идентификации параметров модели глу-. бокопазного асинхронного двигателя, учитывающая условия физической реализации модели.

5. Предложена методика определения начального вектора параметров модели асинхронного двигателя из каталожных данных.

6. Произведено определение параметров моделей для серии глубокопазных двигателей на.основе частотных характеристик по сколь-

жению.

7. По результатам эксперимента в системе электроснабжения Афипского нефтеперерабатывающего завода получены экспериментальные частотные характеристики высоковольтного асинхропного двигателя установки ДМТ и произведено определение параметров его модели.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гучапшев X. М., Коробейников Б.А. Получение частотных характеристик асинхронных двигателей на основе экспериментальных данных. //Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях. Тезисы докладов 7-го Международного научно-технического семинара./ М.: НИЦПрИС, 1997.- с.88-89.

2. Гучапшев X. М. Частотные характеристики глубокопазных асинхронных двигателей. //Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях. Тезисы докладов 7-го Международного научно-технического семинара./ М.: НИЦПрИС, 1997.-с.87-88.

3. Коробейников Б.А., Гучапшев Х.М. Применение дискретного преобразования Фурье для получения частотных характеристик асинхронных двигателей. //Повышение эффективности работы систем электротехнических комплексов и энергетических систем. Тезисы докладов региональной научно-практической конференции./ Ку-бан. гос. технол. ун-т, 1998.- 6с.

4- Коробейников Б.А., Гучапшев Х.М. Математическое моделирование асинхронных двигателей в частотной области. //Повышение эффективности работы систем электротехнических комплексов и энергетических систем. Тезисы докладов региональной научно-практической конференции./ Кубан. гос. технол. ун-т, 1998.- с.6-7.

5. Гучапшев Х.М. Метод определения параметров математических моделей асинхронных двигателей. //Математическое и программное обеспечение вычислительных систем. Межвузовский сборник./ М.: Минобразование, 1998.- с.60-62. _

6. Гучапшев Х.М., Коробейников Б.А. Частотные характеристики асинхронных двигателей в координатах обобщенного вектора. //Математическое и программное обеспечение вычислительных систем. Межвузовский сборник./ М.: Минобразование, 1998.- с.62-66.

7. Коробейников Б.А., Гучашдев Х.М. Определение параметров математической модели глубокопазных асинхронных двигателей по частотным характеристикам. //Электромеханика. Известия вузов./ Новочеркасский гос. технич. ун-т, 1998, N2-3,- 101с.

8. Гучапшев Х.М., Коробейников Б.А. Математическая модель определения частотных характеристик асинхронных двигателей. //Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН./ Нальчик, 1998, N2,- с.63-66.

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ГУЧАПШЕВ ХУСЕЙН МУЗАРИФОВИЧ

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПО ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

КОРОБЕЙНИКОВ Б.А.

г.Краснодар 1998 г.

»

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

•

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ГЛУБОКОПАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 9

1.1 Системы промышленного электроснабжения и их моделирование для анализа режимов работы .... 9

1.2 Методы математического моделирования глубоко-пазных асинхронных двигателей............ 12

1.3 Получение частотных характеристик глубоко-

* пазных асинхронных двигателей............ 17

1.4 Методы определения параметров асинхронных двигателей по экспериментальным данным........ 27

1.5 Выводы..........................32

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АСИНХРОННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ 33

2.1 Математические модели асинхронных двигателей . 33

2.2 Частотные характеристики асинхронных двигате-

лей.............................42

# 2.3 Ограничения частотных характеристик........62

2.4 Получение частотных характеристик объекта из переходных зависимостей................67

2.5 Влияние ограничений по времени на представление частотных характеристик объекта. ..... 71

2.6 Применение дискретного преобразования Фурье для получения частотных характеристик объекта. ... 73

2.7 Получение частотных характеристик для глубоко-пазных двигателей по осциллограмме пуска.....76

2.8 Выводы........................... 94

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ГЛУБОКОПАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПО ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕРИ-^ СТИКАМ 95

3.1 Математическая формулировка задачи идентификации параметров....................95

3.2 Обоснование выбора метода поиска минимума целевой функции......................102

3.3 Расчет начального вектора параметров математической модели асинхронного двигателя........106

3.4 Исследование целевых функций и обоснование ограничений на параметры..................110

3.5 Выводы...........................118

•

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ГЛУБОКОПАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИ-

ГАТЕЛЕЙ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ 124

4.1 Определение параметров математических моделей для серии асинхронных двигателей на основе частотных характеристик по скольжению........124

4.2 Идентификация параметров модели асинхронного двигателя по частотным характеристикам......137

4.3 Экспериментальное исследование режимов работы * асинхронного двигателя установки ДМТ Афипско-

го нефтеперерабатывающего завода..........145

4.3.1 Подготовка оборудования и устройств технологической установки ДМТ к проведению испытания..................149

4.3.2 Испытания одиночного высоковольтного электродвигателя 1000 кВт компрессора без нагрузки в режиме пуска.............149

4.3.3 Испытания одиночного высоковольтного электродвигателя 1000 кВт компрессора без нагрузки в режиме выбега.............150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152

ЛИТЕРАТУРА 153

РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Системы электроснабжения промышленных предприятий представляют собой сложные электротехнические комплексы, содержащие большое количество различных элементов и являются, как правило, многомашинными.

В системах электроснабжения предприятий возникают различные аварийные ситуации, которые сопровождаются кратковременными снижениями напряжения, сбросом нагрузки, отключением при коротких замыканиях, что может привести к нарушению технологического процесса на предприятии, к значительному материальному ущербу.

Для предприятий с непрерывным технологическим процессом в таких отраслях промышленности как газовая, нефтяная, химическая, горная характерны значительное количество двигателей, высокая энергоёмкость технологического процесса, жесткие требования к надёжности электроснабжения потребителей. Аварийные ситуации в системах электроснабжения таких предприятиях являются тяжёлыми, имеют весьма неблагоприятные последствия и требуют быстрой ликвидации. Возникающие при этом переходные процессы трудно рассчитываются, а информация о состоянии системы электроснабжения, полученная из них требует быстрой обработки средствами релейной защиты и противоаварийной автоматики. Применение современной релейной защиты с использованием вычислительной техники вызывает необходимость проведения расчетов переходных процессов по мгновенным значениям электрических величин.

Анализ потребителей большинства предприятий показывает, что около 70% потребителей электрической энергии являются асинхронные двигатели. Поэтому определение параметров их моделей является важной задачей, так как от вида модели и точности определения параметров двигателей зависит точность расчётов переходных процессов в системах электроснабжения.

При этом параметры модели асинхронных двигателей

можно определить по каталожным и по экспериментальным данным. Более точные данные получаются при определении параметров модели по результатам эксперимента. Для мощных высоковольтных асинхронных двигателей экспериментальные исследования проводятся, как правило, в системе электроснабжения при их питании через трансформаторы, кабели с учётом влияния других электрических нагрузок предприятий, что может оказать существенное влияние на результаты эксперимента.

Из всех существующих методов определения параметров моделей асинхронных двигателей на основе экспериментальных исследований, наиболее предпочтительными являются методы, использующие частотные характеристики двигателей. Это основано на том, что частотные характеристики асинхронных двигателей содержат всю информацию об их динамических свойствах, и при решении задачи параметрической идентификации с применением частотных характеристик выполняются операции с алгебраическими выражениями, что значительно упрощает поиск минимума целевой функции с применением методов нелинейного программирования.

Целью работы является разработка методики идентификации параметров моделей асинхронных двигателей по частотным характеристикам для систем промышленного электроснабжения.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- проведен анализ существующих методов моделирования глу-бокопазных асинхронных двигателей, получения их частотных характеристик, а также методов определения параметров асинхронных двигателей по экспериментальным данным;

- получены частотные характеристики для асинхронных двигателей в различных системах координат; (

- разработаны методики получения частотных характеристик объекта из переходных зависимостей;

- разработана методика получения частотных характеристик для глубокопазных асинхронных двигателей по результатам экс-

перимента при пуске;

- разработана методика идентификации параметров глубоко-пазных асинхронных двигателей по частотным характеристикам с применением алгоритмов нелинейного программирования;

- проведено определение параметров моделей для серии глу-бокопазных асинхронных двигателей на основе их частотных характеристик.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовалась обобщённая теория электрических машин и методы их математического моделирования, теория оптимизации и методы нелинейного программирования, теория интегральных преобразований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика получения частотных характеристик для асинхронных двигателей исходя из их моделей.

2. Разработана методика получения частотных характеристик для асинхронных двигателей по результатам эксперимента исходя из разбиения интервала переходного процесса на ряд подин-тервалов.

3. Разработан метод идентификации параметров модели асинхронного двигателя по его частотным характеристикам на основе теории оптимизации с ограничением по условиям физической реализуемости.

4. Разработана методика определения начального вектора параметров асинхронного двигателя и ограничений на них по условиям физической реализуемости.

Автор выносит на защиту:

1. Математическую модель глубокопазного асинхронного двигателя в частотной области.

2. Методику идентификации параметров модели асинхронного двигателя по частотным характеристикам, полученных в результате эксперимента в системе электроснабжения.

3. Результаты определения параметров моделей асинхронных двигателей при использовании частотных характеристик по скольжению и по частоте.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана методика получения частотных характеристик асинхронных двигателей в различных системах координат.

2. Разработана методика идентификации параметров модели асинхронных двигателей по экспериментальным данным, полученным при пуске двигателя.

Исследования по теме диссертации производились в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры "Электроснабжение промышленных предприятий" Кубанского государственного технологического университета. Результаты работы внедрены в ДАО " Электрогаз", в АО "КабБалк-энерго", в учебном процессе по курсам "Переходные процессы в системах электроснабжения" и "Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения".

Апробирование работы. Основные положения работы докладывались на заседаниях научных семинаров кафедр " Электроснабжение промышленных предприятий", " Электротехника" Кубанского государственного технологического университета; на международном научно-техническом семинаре "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях", г. Рязань, 1997г.; на семинаре АН РФ "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий", г. Новочеркасск, 1997г. на региональной научно-практической конференции "Повышение эффективности электротехнических комплексов и энергетических систем" г. Краснодар, 1998г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликованно 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованной литературы, включающего 84 наименования, приложения, содержит 163 страницы, 59 рисунков, 7 таблиц.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ГЛУБОКОПАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Системы промышленного электроснабжения и их моделирование для анализа режимов работы

Системы электроснабжения крупных предприятий, как правило, являются многомашинными и часто содержат мощные электродвигатели [1,2,3]. Так система электроснабжения установки ДМТ Афипского нефтеперерабатывающего завода, содержащая три высоковольтных асинхронных двигателя различной мощности, которые при работе оказывают взаимное влияние друг на друга.

В системах электроснабжения промышленных предприятий нередко возникают различные аварийные ситуации, которые сопровождаются кратковременными снижениями напряжения, сбросом нагрузки, отключением и расстройством технологического процесса, что может привести к значительному материальному ущербу.

К предприятиям с непрерывным технологическим процессом относятся предприятия нефтяной и газовой промышленности, для которых характерны большая мощность и значительное количество электродвигателей, высокая энергоёмкость технологических процессов, высокие требования к надёжности электроснабжения потребителей.

Указанные обстоятельства создают трудности при анализе переходных процессов в таких системах электроснабжения при аварийных ситуациях, так как аварийные ситуации трудно рассчитываются, являются очень тяжёлыми, имеют весьма неблагоприятные последствия и требуют быстрой ликвидации средствами релейной защиты и противоаварийной автоматики [4-11].

При разработке релейной защиты и противоаварийной автоматики, основанной на современной элементной базе с применением микроэлектроники и вычислительной техники, повышаются требования к расчётам переходных процессов в многомашинных системах электроснабжения при аварийных ситуациях [12,13,14]. Приобретают большое значение методы расчётов переходных процессов по мгновенным значениям электрических величин.

Системы промышленного электроснабжения представляют собой сложные электрические схемы, содержащие большое количество различных элементов: асинхронные и синхронные двигатели, трансформаторы, кабельные и воздушные линии, то-коограничительные реакторы, статическая нагрузка и др. Для анализа различных режимов работы систем электроснабжения необходимо такое представление элементов этих систем, которое давало бы возможность сочетать их в общую схему с единых позиций. При этом каждый элемент системы электроснабжения можно представить в виде совокупности активного сопротивления, индуктивности, ёмкости, зависимых источников тока и напряжения. Следует иметь ввиду, что каждый вид элемента имеет вполне определённую комбинацию указанных составляющих. В результате такого подхода можно получить полную модель системы электроснабжения предприятия как обычную электрическую цепь, что создаёт возможности автоматизированного формирования уравнений в пространстве состояния.

Вопросы формирования уравнений в пространстве состояния для электрических цепей и электронных схем с многополюсными компонентами были рассмотрены в литературе [15-18], где они носят общий характер и не ориентированны на особенности системы электроснабжения. В тоже время их учёт может дать существенный выигрыш, при формировании уравнений состояния. Так, например, глубокопазные асинхронные двигатели целесообразно представлять в виде многоконтурной электрической цепи.

Анализ состава электрических нагрузок промышленных

предприятий показал, что около 70% потребителей электрической энергии составляют асинхронные двигатели, от полноты представления моделей которых и точности определения их параметров зависит точность расчётов переходных процессов в системах электроснабжения.

При этом параметры модели асинхронных двигателей можно определить по каталожным и экспериментальным данным. Более точные результаты дает определение параметров по результатам эксперимента. Однако, результаты экспериментальных исследований для высоковольтных асинхронных двигателей могут быть получены в системе электроснабжения при их питании через трансформаторы, кабели с учетом влияния другой нагрузки предприятия.

Так как различные эксперименты на предприятиях в реальных условиях без учета хотя бы части системы электроснабжения поставить невозможно, то при определении параметров модели асинхронных двигателей необходимо учитывать влияние других элементов системы электроснабжения на результаты эксперимента.

Таким образом, повышением точности расчётов различных режимов работы систем электроснабжения является применение моделей асинхронных двигателей в виде электрической цепи, а также определение их параметров на основе результатов экспериментальных исследований.

Из всех возможных видов эксперимента для высоковольтных асинхронных двигателей применяются эксперименты, не создающие предпосылки возникновения аварийных ситуаций в системе электроснабжения. Наиболее предпочтительными из них являются пуск и выбег, которые позволяют полностью учитывать динамику работы асинхронных двигателей.

1.2 Методы математического моделирования глубокопазных асинхронных двигателей.

Асинхронный двигатель можно представить в виде магни-тосвязанных обмоток, расположенных на статоре и роторе, взаимное расположение которых изменяется при вращении ротора [6]. Для глубокопазных асинхронных двигателей большой мощности пусковые характеристики улучшаются за счёт использования эффекта вытеснения тока в стержнях ротора, которые выполняются прямоугольной, колбообразной, трапецеидальной и более сложной формы. Активные сопротивления и индуктивности рассеяния указанного типа роторов имеют сложный характер в зависимости от скольжения [20], что отражено на рисунке 1.1. Для повышения точности расчётов различных режимов работы для моделирования глубокопазного асинхронного двигателя используют Т-образную схему замещения, рисунок 1.2, в которой сопротивление ротора представляют в виде функциональных зависимостей Яг(з), Х^в), представляемые обычно [21] в виде таблиц, графиков или степенных полиномов, что усложняет решение задач при применении указанной модели. Погрешности решения в основном возникают из-за того, что в расчетах переходных режимов по Т-образной схеме учитывают только одну свободную составляющую в роторе, тогда как в дейст�