автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы и результаты улучшения точностных показателей и энергоэффективности универсального следящего электропривода для гелиоустановок

На правах рукописи

Аббасов Эльшан Магеррам оглы

Методы и результаты улучшения точностных показателей и энергоэффективности универсального следящего электропривода для гелиоустановок

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б МАР 2013

005050430

Москва 2013

005050430

Работа выполнена в Московском Государственном Машиностроительном Университете (МАМИ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

кафедры «Электротехника» ФГБОУ ВПО МГМУ (МАМИ) Овсянников Евгений Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заведующий

кафедрой «Электротехника и электрооборудование» ФГБОУ ВПО «МАДГТУ (МАДИ)» Ютт Владимир Евсеевич,

кандидат технических наук, инженер технического отдела ООО «ТД «Ункомтех» Пшеннов Виктор Борисович

Ведущее предприятие: ОАО «КАСКАД-ОПТЭЛ»,

Защита состоится « 15 » марта 2013 года в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д.212.157.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный Исследовательский Университет «МЭИ» по ' адресу: 111250, г.Москва, Красноказарменная ул., д. 13, аудитория М-611.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу 111250, г.Москва, ул Красноказарменная д.14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» - www.mpei.ru

Автореферат разослан «' февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.А. ЦЫРУК

Актуальность работы. Среди всех возобновляемых источников энергии солнечная наиболее перспективна по масштабам своей распространенности. В настоящее время используются гелиоустановки (ГУ) различного назначения и принципов преобразования энергии.

Разнообразные ГУ объединяются общей операцией - наведением рабочего органа на Солнце. Эту операцию выполняет система наведения, выполненная в виде следящего электропривода (СЭП), от которого существенно зависит качество работы и производительность ГУ.

Анализу энергетической эффективности следящих электроприводов гелиоустановок посвящены работы Терехова В.М., Овсянникова Е.М., Сорокина Г.А., Пшеннова В.Б., Чериан Импена, Турдзеладзе Д.А. и др.

Для успешного решения задачи по увеличению масштабов использования солнечной энергии, т.е. широкого внедрения в практику ГУ требуется разработка, прежде всего простых и надежных СЭП, с простейшим обслуживанием. Вместе с тем СЭП должен обеспечивать необходимую точность слежения. Таким образом, данный СЭП приобретает общность и представительность для широкого класса различных ГУ.

Объектом исследования являются следящие электроприводы энергетических и технологических ГУ.

Целью работы является улучшение технических показателей гелиоустановок широкого класса на основе теоретической и практической разработки универсального следящего электропривода.

В соответствии с целью были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Выработка требований к следящим электроприводам гелиоустановок различных типов.

2. Определение характера наиболее неблагоприятных ветровых воздействий на следящий электропривод с кинематическим люфтом.

3. Разработка и обоснование оптимальной структуры СЭП ГУ различных типов.

4. Обоснование обобщенной расчетной модели для СЭП широкого класса ГУ.

5. Компьютерные исследования математической модели универсального следящего электропривода гелиоустановки на основе теории планирования эксперимента.

6. Получение аналитических и графических зависимостей точностных и нагрузочных показателей универсального следящего электропривода от обобщенных параметров механической части гелиоустановки при наиболее неблагоприятных ветровых воздействиях.

7. Разработка способов компенсации кинематических люфтов СЭП ГУ.

8. Создание методики построения датчиков рассогласования для гелиоустановок различных типов, датчиков положения Солнца.

9. Теоретическая и практическая разработка универсального следящего электропривода для широкого класса гелиоустановок

10. Экспериментальные исследования универсального следящего электропривода для гелиоустановок.

Методы исследования основываются на применении аппарата математического анализа, теоретических основ автоматизированного электропривода, методов исследования систем автоматического регулирования, теории планирования эксперимента, компьютерного моделирования. Исследования проводились с применением программы МАТЬАВ&БтшНпк.

Основные теоретические результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями на действующем СЭП ГУ.

Научная новизна основывается в следующем:

1. Разработаны оптимальная структура и математическая модель универсального СЭП для широкого класса ГУ.

2. На основе обобщенной расчетной модели с использованием метода планирования эксперимента получены аналитические и графические зависимости точностных и нагрузочных показателей универсального СЭП от обобщенных параметров механической части ГУ, позволяющие делать обоснованный выбор, корректирующих или люфтокомпенсирующих устройств.

3. Созданы методики анализа и синтеза СЭП ГУ по точностному принципу с учетом возникающих ударных нагрузок в механической части.

4. Разработан способ компенсации кинематических люфтов СЭП ГУ.

5. Создана методика построения датчиков рассогласования для гелиоустановок различных типов.

6. Разработана схема комплексной автоматизации СЭП ГУ, предусматривающая режим автосопровождения.

Практическая значимость подтверждается реализацией результатов работы.

1. Создана серия СЭП действующих ГУ, что засвидетельствовано двумя актами о внедрении. Разработанный СЭП может быть рекомендован для внедрения в качестве системы наведения широкого класса гелиоустановок.

2. Полученные обобщенные оценки точностных показателей и ударных нагрузок СЭП с люфтом могут быть использованы при проектировании редук-торных однодвигательных СЭП различных установок.

3. Разработанный способ компенсации кинематических люфтов, на который получен патент на полезную модель, может быть применен для высокоточных ГУ.

4. Предложенная методика создания датчиков положения Солнца обеспечивает требуемые пеленгационные характеристики для различных типов ГУ.

На защиту выносятся:

1. Обобщенная расчетная модель и оптимальная структура СЭП широкого класса гелиоустановок.

2. Результаты компьютерных исследований математической модели универсального СЭП ГУ на основе метода планирования эксперимента.

3. Способы компенсации кинематических люфтов СЭП ГУ.

4. Методика построения датчиков рассогласования для ГУ различных типов.

5. Принципиальные электрические схемы универсального СЭП ГУ.

6. Результаты экспериментальных исследований универсального СЭП ГУ.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью

постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам, подтверждается хорошей сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными на физической модели макета гелиоустановки. Обоснованность основных выводов и рекомендаций подтверждена промышленными испытаниями и внедрением в практику предложенных технических решений.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы при создании в ОАО «КАСКАД-ОПТЭЛ» экспериментального макета гелиоустановки и солнечной энергоустановки СЭУ-2500 мощностью 2,5 кВт, о чём выдан акт о внедрении, и в ОАО «ОМ ЭНЕРДЖИ ЛТД» при создании сол-

нечного энергетического модуля с выходной электрической мощностью 3 кВт по производству водорода ЭВГ-М, о чём также выдан акт о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 2-ой всероссийской научно-технической конференции с международным участием в ТГУ (г. Тольятти, 2007г.), 6-ой всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» в МГУ (г. Москва, 2008г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» в ТГУ (г. Тольятти, 2009г.), Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение-2009» в МГТУ «МАМИ» (г. Москва, 2009г.), Международной научно-технической конференция ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» в МГТУ «МАМИ» (г. Москва, 20 Юг).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на заседании кафедры Электротехники и компьютеризированных электромеханических систем Московского Государственного Технического Университета «МАМИ».

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав с иллюстрациями, заключения, списка литературы из 118 наименований и приложений с таблицами и актами о внедрении результатов диссертации на предприятиях. Общий объем работы 194 страниц, в работе содержится 42 рисунка.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы и определена цель работы. Приведен обзор существующих работ по СЭП гелиоустановок.

В первой главе диссертации проводится анализ литературы, описывается устройство и применение гелиоустановок, показывается актуальность проблем использования солнечной энергии. Сделан обзор различных типов гелиоустановок, производящих электроэнергию или предназначенных для технологических целей.

Во второй главе разрабатывается структура универсального следящего электропривода для различных типов ГУ.

Предлагается следующая расчетная электромеханическая элементная схема с безынерционным преобразователем напряжения (рис. 1).

Рис. 1. Электромеханическая схема расчетной модели однодвигателыюго СЭП

гелиоустановки

ИУ - измеритель угла; РП - регулятор положения; УПН - управляемый преобразователь напряжения; М - электродвигатель постоянного тока; ИМ - исполнительный механизм.

При составлении структурной схемы механической части привода учитывались кинематические люфты и упругости, а также вязкое трение на исполнительном валу.

В качестве расчетной принята двухмассовая упругая модель механической части привода.

При разработке структурной схемы универсального однодвигательного следящего электропривода гелиоустановки предполагается астатизм второго порядка который позволяет снизить требования к полосе пропускания СЭП и исключить скоростную и статическую ошибки, т.к. следящая система с аста-тизмом второго порядка у=2 менее чувствительна к нелинейностям характеристик элементов, чем система с у=3, и обладает большими точностными возможностями, чем СЭП с астатизмом первого порядка.

В схеме СЭП (рис. 1) астатизм второго порядка реализуется посредством пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора в контуре угла, передаточная функция которого имеет вид:

и,{Р) Т0-Р

где ирп{Р) - изображение Лапласа выходного напряжения регулятора положения; и^Р) - изображение Лапласа выходного напряжения измерительного устройства; То, Тки Тк2 - постоянные времени регулятора положения.

С целью повышения точности слежения гелиоустановки в расчётную электрическую схему (рис. 1) введено дополнительное корректирующее звено Кдк-{ГдкР+1) по разности скоростей, исполнительного вала и двигателя, которое повышает устойчивость системы от автоколебаний, что в свою очередь приводит к улучшению точностных показателей системы.

Структурная схема универсального однодвигательного СЭП гелиоустановки представлена на рис. 2.

Для обобщения возможных структур СЭП гелиоустановок следует обратить внимание на передаточную функцию системы преобразователь-двигатель, т.к. именно эта часть схемы СЭП будет в дальнейшем видоизменяться. Передаточная функция системы преобразователь - двигатель описывается выражением второго порядка и имеет вид:

Рис 2. Структурная схема однодвигательного СЭП гелиоустановки

,(Р) = --—-, где К=К-К,~коэффициентпере-

дачи контура скорости, [1/В-с]; к„ - коэффициент передачи управляемого преобразователя напряжения; Кй - коэффициент передачи двигателя, [1/В-с]; Т л -электромеханическая постоянная времени двигателя, с; Тя - электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя, с.

В третьей главе исследуется компьютерная модель универсального следящего электропривода гелиоустановки.

В СЭП ГУ основной нелинейностью является кинематический люфт. В общем виде условие линейности СЭП гелиоустановки можно записать в виде:

К1=

¿о>„

Л

где Мщ - крутящий момент, передаваемый по кинематической цепи, Н-м; Мтр -суммарный момент вязкого и сухого трения на исполнительном валу, Н-м; Мветр - момент ветровой нагрузки на исполнительном валу; Н-м; - момент инерции исполнительного механизма, кГм2; соц в. - угловая скорость исполнительного вала, рад/с.

Для исследования процесса слежения однодвигателыюго редукторного СЭП при воздействии возмущения по нагрузке использован метод планирования эксперимента второго порядка для трех факторов.

На рис. 3 показан общий вид желаемой логарифмической амплитудно-частотной характеристики исследуемого СЭП гелиоустановки с астатизмом второго порядка. Динамические свойства, устойчивость, точностные показатели СЭП определяются основными общеструктурными частотами шк, ш02, сор, и со2. Эти частоты связаны с параметрами СЭП следующим образом:

Щ о5 -иМ \ / ш я

Ц, и

1

Рис. 3. Вид желаемой ЛАЧХ исследуемого СЭП

" регулятора положения, рад/с; Т„ - основная стабилизирующая постоянная времени регулятора положения;

Ц уск

£макс

^доп

базовая частота СЭП, рад/с;

- добротность СЭП по ускорению, рад/с2;

- максимальное рабочее ускорение, рад/с2;

?

"" - допустимая среднеквадратичная ошибка, рад;

сар - граничная частота для высокочастотного участка ЛАЧХ, на которой фаза скоростной подсистемы равна -90°, рад/с;

а>2 - частота свободных колебаний исполнительного механизма при заторможенном вале двигателя, рад/с; <ос - частота среза, рад/с;

Соотношения базовых частот для желаемой ЛАЧХ регламентированы. Оптимальными для линейного СЭП по условию минимальной колебательности при заданной полосе пропускания согласно будут следующие соотношения:

И 0,6 + 0,7;.. « 3,8 + 4,9;

В процессе эксперимента частота свободных колебаний исполнительного механизма при заторможенном вале двигателя сог менялась согласно плану эксперимента:

[с

а2 = .¡—^ где Скц - механическая жесткость кинематической цепи, V Л.» т

-1и.в. - момент инерции исполнительного вала

Основные условия проведения эксперимента таковы. На исполнительный вал непрерывно воздействует имитация ветровой нагрузки. Цикл «флюктуация ветра» неизменно повторяется во всех опытах. Скорость объекта слежения принята равной нулю. В идеальном случае исполнительный вал неподвижен. Нелинейный СЭП отрабатывает лишь возмущающие воздействия по нагрузке.

Параметры системы, такие как ¡З^в, К5, Тр, были взяты в результате литературного обзора, как оптимальные для данной системы СЭП ГУ. Кг* и Т^ были подобраны опытным путём. Остальные - согласно плану эксперимента.

За основу компьютерной модели СЭП ГУ (рис. 4) была принята математическая модель универсального СЭП ГУ по структурной схеме (рис. 2).

Рис. 4. Компьютерная модель СЭП ГУ в системе физико-математического моделирования Ма&аЬ&ЗшшНпк

В состав аналитических зависимостей, аппроксимирующих функции отклика, входят три определяющих показателя системы: парусность К, частота свободных колебаний исполнительного механизма при заторможенном вале двигателя со2 и относительная величина кинематического люфта А(р*к.ч..

Парусность К:

к _ Мн где: Мц - номинальный момент на валу двигателя; а , Jjf.ii. ~ момент инерции исполнительного вала.

Частота свободных колебаний исполнительного механизма при заторможенном бале двигателя юг:

со, =./—где Ск.ц. ~ механическая жёсткость кинематической цепи.

ив

Относительная величина кинематического люфта:

А(р'к л = где: Д<р - кинематический люфт;

а>„

сон - номинальная скорость двигателя. Факторы варьировались следующим образом. Для изменения частоты

свободных колебаний исполнительного механизма при заторможенном вале двигателя менялись Скц. - механическая жёсткость кинематической цепи и параметры пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора положения - постоянные времени Т0и Тк]. Параметр То рассчитывался по формуле: 14,4 -К ¡К,

т =-1

Основная стабилизирующая постоянная времени рассчитывалась по формуле:

—= <ик = 0,75 ■ — Тп 3,8

Малая постоянная времени - регулятора положения ТК2 оставалась без изменения на всех уровнях частоты свободных колебаний исполнительного механизма при заторможенном вале двигателя. Параметр Тк2 определяет свойства регулятора по компенсации инерционности контура скорости, который неизменен во всех опытах эксперимента.

Пределы варьирования ©2 соответствующие ±1 плана эксперимента.

0)2(-1)=5 рад/с; соад=17 рад/с.

Коэффициент парусности К варьировался за счет изменения момента инерции на исполнительном валу.

^-5000 (_Я_); Адг13000 (-£м)

Третий фактор - относительный кинематический люфт варьировался в пределах: Л<р'ыГ.у=0,01 (с); 0,07 (с).

Область планирования эксперимента представлена в таблице 1. Таблица 1. Пределы изменения варьируемых факторов

Варьируемые факторы к=м*_ ^ ив К... <Он

Базовый уровень 9000 п 0,04

Шаг варьирования 4000 6 0,03

Верхний уровень 13000 17 0,07

Нижний уровень 5000 5 0,01

Кодированные значения факторов связаны с истинными значениями факторов соотношениями:

^ _ Х1~Х1ср _ Х1 " Х1ср _ 2х, - дг|п|Ь

Х1 Х/тах ~ Х1ср Х1гтх ~

где: X, - кодированное значение фактора; х, - истинное значение фактора; х1пшх - максимальное истинное значение фактора; Хш„ - минимальное истинное значение фактора; х1ср - среднее истинное значение фактора.

В работе использован известный ортогональный центрально-композиционный план (ОЦКП) второго порядка - для трех факторов. Согласно плану, проведено 15 опытов при различном сочетании значений варьируемых факторов К^гуЛр'ш.-

Осциллограммы процессов слежения в модели СЭП с кинематическим люфтом для каждого из опытов обработаны математически.

В каждом опыте определялись: величина среднеквадратичной ошибки дерм , максимальное амплитудное значение ошибки 8макс, отношение максимального упругого момента кинематической цепи к максимальному ветровому моменту за цикл Мумакс/Мвмакс.

В качестве примера ниже на рисунке 5 приведена осциллограмма одного из опытов и обработка его результатов.

J_|_|_|_|_1_|_

в 1в 1в » х к и « « и

Рис.5. Осциллограмма № 1

Обработка данных опыта № 1

Варьируемые факторы опыта:

*=5000 (тй?); °»=5 ^с; ^ «=0,01 (с). После проведения всех запланированных экспериментов и получения опытных значений средних квадратов и амплитуд ошибок, а так же относительных величин максимальных упругих моментов в результате подстановки в формулы позволяет получить аналитические выражения для этих величин в виде:

Относительная среднеквадратичная величина ошибки: У'5ср.кв.=(3ср.кв./Юн)=8,095* 10^+1,76-1 О^-б 72* 10^X2+1,563*10"4хз+1,935 * 10"4(х12--0,73)+3,525*10-4(х22-0,73)+-2,063*10'4(Хз2-0 73)-2,164*10-4х2х,+7,5*10-6*ХзХ1 +7,832*10-5х2хз

Относительная величина амплитуды ошибки: ^му^с=(^/®„)=4,626*10-3+2,101*10-3хз-4,902*10-3х2+1,36*10-3хз+2,706*10-3 (х12-0,73)+2,82* 1 0-3(х22-0,73)+2,239* 10"3(х32-0,73)-2,794* 10-3х2х,+5,275 * 10"5хзхг -9,312*10^х2хз

Относительная величина максимального упругого момента приведенного к максимальному ветровому моменту:

У^.макс=(Му.макс/М8.макс)=1,187+022хг0,209х2+0,117хз+0,104(Х12-0,73)+0,202* *(х22-0,73)+0,131(хз2-0,73)-0,121х2х1-0,038хзхг0,0ббх2хз

Погрешность в определении величины ошибки слежения в 23% является вполне допустимой при оценке точностных возможностей проектируемого СЭП гелиоустановки.

Пример зависимостей относительной максимальной и среднеквадратичной ошибки от варьируемых факторов приведен на рисунке рис 6.

шапалыт оши&а и махсикапьто упругига попета ал изменения

/ иы*

£

'' 12 3 15 6?

Графические эайисиности ожюхюшых срвднехбйфатитй ошиёкц нжштт) тики и «жалами; упругою тмт иг, юненет коэффициент щусниош

п

б 7

V /

V /

<< ИСК

Графические 31 ткатгыюй

ЧНПЦ ОШбКи.

т-тт т изменения

\ ¿а.

—й Ч.

\

\ V -¡хеше.',

Л4

А

(ШййЦ.

имавА

Рис.6 Зависимости относительной среднеквадратичной и максимальной ошибок и максимального упругого момента от варьируемых факторов.

В четвертой главе проводится техническая реализация и экспериментальные исследования следящего электропривода гелиоустановки.

В случаях, когда рассчитанные для однодвигательного СЭП точностные показатели или ударные нагрузки не удовлетворяют техническим требованиям проектируемой ГУ, необходимо компенсировать кинематический люфт. Способы компенсации могут быть механические или электрические.

В работе предложен многодвигательный реверсивный электропривод с компенсацией кинематических люфтов (рис. 7), на который получен патент. Многодвигательный реверсивный электропривод содержит якори двух электродвигателей 1 и 2 с обмотками возбуждения 3 и 4, причем одна пара щеток электродвигателей 1 и 2, накоротко, соединена общей частью якорной цепи 5, а вторая пара щеток электродвигателей 1 и 2, через разделительные части якорной цепи 6 и 7, электрически соединена с соответствующими выходными контактами управляемого реверсивного преобразователя энергии 8, при этом, один

Кж

выходной контакт, источника постоянного тока 9 электрически соединен с общей частью якорной цепи 5, а второй выходной контакт источника постоянного тока 9 через параллельно соединенные диоды 10 и 11 электрически соединен с двумя выходными контактами управляемого реверсивного реверсивного преобразователя напряжения 8, валы электродвигателей 1 и 2 через соответствующие кинематические цепи 12 и 13, ведущие коренные

Рис. 7 Многодвигательный реверсивный электропривод

шестерни 14 и 15, коренное зубчатое колесо 16, механически связаны с исполнительным валом 17.

Разработана методика создания датчиков рассогласования для ГУ различных типов. На основе этой методики предложен универсальный датчик (рис. 9).

В корпусе 1 датчика диаметрально, под прямыми --у углами расположены четыре фотоэлемента 2, образующих два основных электрических моста. В цен; тре датчика расположен несущий стержень 5 с закрепленными на нем затеняющим 6 и экранирующим 4 дисками. Передняя стенка корпуса и экранирующий диск образуют засвечивающую щель. Для расширения пеленгационной характеристики датчика края засвечивающей щели выполнены косыми. Электрическая часть датчика защищена прозрачным диском 3, который является также рассеивателем света. Также для расширения пеленгационной характеристики датчика на несущем стержне расположен фотоэлемент стабилизации общего коэффифициента передачи системы 8 и фотоэлемент контроля уровня радиации Солнца 9. При изменении освещённости фотоэлементов меняется величина и знак выходного сигнала датчика. Угол захвата этого датчика составляет 120°.

Рис. 8 Датчик рассогласования

В рабочем режиме следящий электропривод работает на незначительном участке пеленгационной характеристики в начале координат. Величина рабочего участка составляет 2% от линейной зоны пеленгационной характеристики. Это позволяет повысить точность слежения на 12% по сравнению с ранее применяемыми устройствами. Разработанный универсальный однодвигательный СЭП без компенсации кинематического люфта с определением оптимальных параметров механической части позволяет снизить стоимость ГУ на 25% от первоначальной проектной стоимости.

На рис. 10 представлена принципиальная электрическая схема универсальной системы управления ГУ.

Рис. 10. Принципиальная электрическая схема универсальной системы управления гелиоустановкой

Система управления включает в себя три дополнительных платы:

- схема стабилизации тока и напряжения АБ - плата П1;

- схема следящего электропривода - плата П2;

- схема автоматического контроля следящего электропривода при недостаточном уровне солнечной радиации - плата ПЗ.

Адекватность компьютерной модели СЭП ГУ и достоверность полученных регрессий среднеквадратичной и амплитудной ошибок слежения, а также упругого момента, проверялась при помощи эксперимента на действующем ма кете СЭП ГУ. Электромеханическая и структурная схемы экспериментального СЭП соответствуют аналогичным схемам компьютерной модели (рис. 1, рис. 2

(

I

и рис. 4). Определяющие обобщенные параметры экспериментального СЭП имеют следующие значения:

Парусность исполнительного механизма - к = м = 5000 ;

ив. кг м

Угловая частота свободных колебаний исполнительного вала - со2= 5 рад/с; Относительная величина кинематического люфта - д<р"КЛ = Дрдг д = о,о7с-

т„

Для получения действительных значений среднеквадратичной и амплитудной величин ошибки и максимального упругого момента к исполнительному валу прикладывался синусоидально изменяющийся момент нагрузки, вырабатываемый нагрузочным устройством.

Максимальное амплитудное значение нагрузочного момента равно одной десятой номинального момента двигателя слежения. Круговая частота изменения момента нагрузки составляет у=1,2 рад/с.

Процесс слежения в экспериментальном СЭП с кинематическим люфтом при синусоидальном изменении момента нагрузки показан на рисунке 11. Из ос

Рис. 11. Процесс слежения в экспериментальном СЭП с кинематическим люфтом при синусоидальном изменении нагрузки на исполнительном валу

циллограммы процесса следует, что интересующие нас величины ошибок имеют значения: 8ср.кд=3,2 рад; 8макс=4,6 рад (величины приведены к валу двигателя). Они отличаются от предсказанных аналитически на 10-^15 процентов.

Значение максимального упругого момента снималось с тензодатчика, расположенного на исполнительном валу. Действительное значение максимального упругого момента, приведенного к валу двигателя слежения составляет Му.макс.=0,01 Нм, что примерно соответствует расчетному значению, полученному аналитическим путем и равному 0,011 Нм.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что компьютерная модель универсального следящего электропривода (СЭП) гелиоустановки (ГУ) адекватна.

Основные результаты работы и выводы:

1. Выполнен анализ режимов работы гелиоустановок (ГУ) различных типов, в результате которого сформулированы требования к следящему электроприводу (СЭП) ГУ и обоснованы условия линейности однодвигательных СЭП с кинематическим люфтом.

2. Разработаны оптимальная по точностным показаниям структура и обобщенная расчетная модель СЭП широкого класса ГУ, которые позволяют при минимальных затратах на производство СЭП осуществлять наведение различных типов ГУ на Солнце с требуемой точностью, которая повышена на 12%.

3. На основании разработанной компьютерной модели с использованием метода планирования эксперимента получены аналитические и графические зависимости для амплитудных и среднеквадратических величин ошибки, а также ударных моментов нагрузки, возникающих в однодвигательном СЭП с кинематическим люфтом, при среднестатистической ветровой нагрузке. Показано, что существенное влияние на динамические свойства и точностные показатели оказывают кинематический люфт, парусность и частота собственных колебаний исполнительного механизма.

4. Разработана методика анализа и синтеза СЭП ГУ с учетом кинематических люфтов в передачах. Методика дает возможность по предварительным данным механической часта привода делать оценку точностных показателей и ударных нагрузок проектируемого СЭП, а также определить оптимальные параметры системы, обеспечивающие наибольшую точность слежения с ограничением ударных нагрузок, что позволяет снизить себестоимость ГУ на 25% от первоначальной проектной стоимости.

5. Выполнен анализ способов компенсации кинематического люфта в СЭП ГУ. Установлены области целесообразного использования электромеханических схем компенсации люфта применительно к СЭП ГУ. Разработана много*

I

двигательная электромеханическая схема с компенсацией кинематических люфтов, на которую получен патент. Эта схема по своим технико-экономическим показателям рекомендуется как базовая для высокоточных технологических ГУ.

6. Предложена методика проектирования датчиков рассогласования для широкого класса гелиоустановок. Разработан универсальный датчик рассогласования для ГУ различных типов.

7. Разработана принципиальная электрическая схема универсальной системы управления для широкого класса гелиоустановок, осуществляющей наведение ГУ на Солнце с требуемой точностью до 1 угловой минуты и зарядку АБ с контролируемыми токами и напряжениями.

8. Проведены экспериментальные исследования изготовленного действующего макета СЭП ГУ. Аналитически предсказанные по полученным регрессиям точностные и нагрузочные показатели отличаются от экспериментальных значений не более, чем на 15%. Компьютерная модель адекватна. Полученные регрессии действительны.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Овсянников Е.М., Пшеннов В.Б., Аббасов Э.М. Перспективы развития гелиотранспорта. // Альтернативная энергетика и экология, № 6. - Саров: НТЦ TATA 2007 г. - С.127-129.

2. Овсянников Е.М. Балясников Е.С. Аббасов Э.М. Алгоритм управления электрогидравлической тормозной системой (статья) // Автомобильная промышленность. №8,2007г. С.56-58

3. Овсянников Е.М., Пшеннов В.Б., Аббасов Э.М. Экономический эффект от перехода к пошаговому режиму слежения гелиоустановки за Солнцем. // Промышленная энергетика, № 9. _ м.: НТФ "Энергопресс", 2007 г. - С.51-53.

4. Овсянников Е.М., Пшеннов В.Б., Аббасов Э.М. Расчет гелиоустановки с концентрацией лучистого потока энергии. // Промышленная энергетика, №8. -М.: НТФ "Энергопресс", 2008 г. - С.46-48.

5. Аббасов Э.М., Аббасова Т.С. Исследование структуры и условий работы следящих электроприводов гелиоустановок // Промышленная энергетика, 2011,№1,с. 45-49.

Публикации в других изданиях

6. Овсянников Е.М., Балясников Е.С., Аббасов Э.М. Система торможения с самоусилением для автомобиля. // Труды 2-ой Всероссийской научно-

технической конференции с международным участием в Тольятгинском Государственном Университете. Часть 2 - Тольятти ТГУ 2007 г. - С.9-12.

7. Овсянников Е.М., Пшеннов В.Б., Аббасов Э.М. Перспективы развития гелиотранспорта. // Труды 2-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием в Тольятгинском Государственном Университете. Часть 2 - Тольятти ТГУ 2007 г. - С.88-91.

8. Пшеннов В.Б., Аббасов Э.М. Использование солнечной энергии на транспорте. // Известия МГТУ "МАМИ", №2(6) 2008. - М. МГТУ "МА-МИ" 2008 Г.-С.7-8.

9. Аббасов Э.М. Особенности электроприводов гелиоустановок. Сборник трудов Международной научно-технической конференции. Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии. 12-15 мая 2009 г. Часть 2. ТГУ, г. Тольятти. С.3-6.

10. Аббасов Э.М. Универсальный электропривод гелиоустановок. Меж-дународый научный симпозиум «Автотракторостроение-2009», Секция 3, МГТУ «МАМИ», Москва, 2009. С. 1-4

И. Овсянников Е.М., Аббасов Э.М. Энергетические гелиоустановки на службе автотранспорта. Международная научно-техническая конференция ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященная 145-летию МГТУ «МАМИ», 17 ноября 2010 г.

12. Овсянников Е.М., Нгуен Куанг Тхиеу, Аббасов Э.М. Многодвигательный реверсивный электропривод с компенсацией кинематических люфтов Патент 1Ш№86815 МПК Н02Р 7/00 2009 г.

Подписано в печать 8,01ЛО/ЗГ. Зак. 57 Тир. Ю0 п.л. I №

Полиграфический центр МЭИ

Красноказарменная ул.,д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Московский Государственный Машиностроительный Университет

(МАМИ)

04201356436 На правах рукописи

АББАСОВ ЭЛЬШАН МАГЕРРАМ ОГЛЫ

УДК

МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ УЛУЧШЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ УНИВЕРСАЛЬНОГО СЛЕДЯЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ ГЕЛИОУСТАНОВОК

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы

и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Овсянников Евгений Михайлович

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Принятые сокращения 4

Введение 5

1. Особенности электроприводов основных типов современных 17 гелиоустановок

1.1 Классификация гелиоустановок 17

1.2 Неподвижные гелиоустановки 18

1.3 Тепловые гелиоустановки 20

1.4 Энергетические гелиоустановки 21

1.5 Технологические гелиоустановки 29

1.6 Использование солнечной энергии для автотранспортных 39 средств.

1.7 Выводы 43

2. Разработка математической модели универсального 45 следящего электропривода для различных типов гелиоустановок

2.1 Постановка задачи 45

2.2 Обоснование типа универсального электропривода для 46 широкого класса гелиоустановок

2.3 Разработка расчетной электромеханической схемы 47 универсального однодвигательного следящего электропривода гелиоустановки.

2.4 Разработка структурной схемы универсального 51 однодвигательного следящего электропривода гелиоустановки

2.5 Выводы 55

3. Исследование универсального следящего электропривода 56 гелиоустановки с помощью компьютерной модели

3.1 Режимы работы и характер нагрузки следящих 56 электроприводов гелиоустановок

3.2 Условия проведения исследований СЭП ГУ. 61

3.3 Разработка компьютерной модели и обоснование плана 65 исследований универсального следящего электропривода гелиоустановки

3.4 Проведение исследований универсального следящего 77 электропривода гелиоустановки с помощью компьютерной

модели

3.5 Результаты и анализ проведенных испытаний 139

3.6 Выводы 144 4. Техническая реализация и экспериментальные исследования 146 следящего электропривода гелиоустановки

4.1 Способы компенсации кинематических люфтов в следящих 146 электроприводах гелиоустановок

4.2 Методика разработки датчиков рассогласования для 156 гелиоустановок различных типов

4.3 Разработка универсальной системы управления для 167 гелиоустановок различных типов

4.4 Экспериментальные исследования действующего макета 177 следящего электропривода гелиоустановки

4.5 Выводы 180 Заключение 182 Приложения 184 Список литературы 186

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АБ - аккумуляторная батарея.

ГУ - гелиоустановка.

ДР - датчик рассогласования.

ОПУ - опорно-поворотное устройство.

СБ - солнечная батарея.

СП - солнечная печь.

СЭП - следящий электропривод.

СЭС - солнечная электростанция.

ФП - фотопреобразователь.

Введение

Наступивший XXI век - век развития и широкого применения нетрадиционных возобновляемых источников энергии, [1, 2]. В этом веке иссякнут или значительно истощатся многие виды природных энергоресурсов, [3, 4]. Более остро возникнут проблемы влияния традиционной энергетики на экологию, [5, 6].

Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в реальных условиях за 2 млн. лет. И по разным оценкам запасы традиционной для нас нефти закончатся через 40-50 лет, газа и каменного угля несколько позже. Возникнет острая необходимость в поиске новых возобновляемых источников энергии, [7, 8].

Возобновляемые источники энергии - это источники энергии непрерывно возобновляемые в биосфере Земли, к ним относятся солнечная, ветровая, океаническая, геотермальная энергии, гидроэнергия рек, энергия биомассы. Среди всех возобновляемых источников энергии солнечная наиболее перспективна по масштабам своей распространенности. В конечном счете, можно сказать, что вся промышленность использует энергию Солнца. Ведь нефть, уголь и даже ветер - это тоже продукты деятельности Солнца. Но в отличие от них солнечная энергия неистощима, [9,10,11].

Уже в настоящее время возобновляемые источники энергии рассматриваются как серьезное дополнение к традиционным. Подобную роль данные источники получили после энергетического кризиса 1973 года, [12, 13].

Необходимость развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии обусловлена истощением запасов традиционных ископаемых энергоресурсов, возможностью решения проблем энергообеспечения отдаленных и труднодоступных районов, снижением, по сравнению с

традиционной энергетикой, выбросов СОг, ИОх и других вредных отходов, [14, 15]. Снижение вредных выбросов позволяет увеличить финансирование строительства более экологически чистых электростанций за счет снижения оплаты «квот за выбросы» [16, 17].

С учетом того, что в ближайшие 20 лет прогнозируется рост энергетических потребностей почти в 2 раза, все проблемы традиционной энергетики будут только усугубляться. К этому стоит прибавить и постоянно растущие цены на энергоносители.

18

За год поверхности Земли достигает 1,05*10 кВт'ч солнечной энергии.

1,5% из них может быть использовано без ущерба для окружающей среды, а

16 12 это около 1,62-10 кВт'ч в год, что эквивалентно 2* 10 тонн условного

топлива, [18, 19].

Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическуюили тепловую, называют гелиоустановками.

В настоящее время используются гелиоустановки (ГУ) различного назначении и принципов преобразования энергии: солнечные во до- и воздухонагреватели (системы горячего водоснабжения, отопления, сушки и обработки сельхозпродуктов); установки прямого преобразования энергии Солнца в электрическую на полупроводниковых фотопреобразователях (ФП) без концентрации и с концентрацией солнечной энергии; тепловые энергетические турбогенераторные гелиоустановки; тепловые гелиостатные электростанции башенного типа с газотурбинными циклами (основу которых составляют плоские управляемые зеркала - гелиостаты); наземные и орбитальные высокотемпературные солнечные печи (СП); орбитальные солнечные батареи.

Большинство ГУ объединяются общей операцией - наведением рабочего органа на Солнце. Эту операцию выполняет система наведения, выполненная в виде следящего электропривода (СЭП), от которого существенно зависит качество работы и производительность ГУ.

В технологических ГУ, которыми являются СП необходимо осуществлять регулирование температуры в зоне нагрева, что достигается перекрытием части потока лучистой энергии посредством подвижных экранов и жалюзи, перемещением которых управляет следящий электропривод регулятора температуры.

Желательно, чтобы электроприводы систем наведения и регулирования температуры были унифицированы, имели одинаковую структуру и элементную базу. Кроме них в гелиоустановках применяются вспомогательные электроприводы (для перемещения исследуемого образца материала в солнечной печи или перекачки охлаждающей жидкости в энергетической гелиоустановке и т. д.). Совокупность указанных электроприводов составляет комплексную электромеханическую систему ГУ.

Многие страны уделяют большое внимание развитию солнечной энергетики. В первую очередь это страны Европейского Союза, Япония и США. В настоящее время одним из лидеров практического использования энергии Солнца является Швейцария, где построено порядка 3000 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Развивающиеся страны, испытывающие недостаток в национальных энергоресурсах, также приобретают гелиоустановки в стратегических интересах или для решения специфических проблем, [20, 21].

Потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2000 млрд. тонн условного топлива в год. Несмотря на это Россия потребляет в основном нефть и газ, доля добычи которых достигает 79,4% от количества всех производимых энергоресурсов, что ведет к резкому сокращению ископаемых ресурсов. За последние 7 лет ресурсы газа сократились на 4,5%, а нефти на 15,7%. Эту проблему можно решить за счет строительства солнечных электростанций, [22, 23].

Еще одной проблемой Российской энергетики является большая протяженность сетей электропередач, вызванная большой площадью страны, на которой многие регионы питаются от удаленных электростанций. Ужена сегодняшний день все эти сети сильно изношены. Так по данным Департамента электрических сетей РАО «ЕЭС России», износ основных фондов электрических сетей составляет 40%, а подстанционного оборудования - 63,4%, и на их ремонт потребуется свыше 4,8 млрд. долл. США, [24, 25].

Третьей проблемой является завоз топлива в районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири. Ежегодно в эти регионы завозится 6-8 млн. тонн жидкого топлива и 20-25 млн. тонн твердого. На это уходит больше половины бюджета этих регионов. Причем в последние годы нередки были случаи недостаточного завоза топлива на Север и Дальний Восток, что ставило под угрозу жизни людей. Многие предприятия, даже в благополучной Московской области, уже сегодня строят газовые минитеплоэлектростанции для своего автономного энергоснабжения. А ведь вместо них можно строить гораздо более экологичные и перспективные небольшие солнечные электростанции, [26,27], и уменьшить объемы завоза топлива.

Немаловажно также то, что гелиоустановки можно размещать на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях. Они не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории, [28, 29].

Энергия Солнца преобразуется посредством разных типов гелиоустановок в электрическую или тепловую энергию, а также в электрическую и тепловую одновременно, [30,31]. Для преобразования солнечной энергии в электрическую применяются турбогенераторные установки либо полупроводниковые фотоэлементы, которые в настоящее

время стали получать наибольшее распространение. В последнее время был проведен ряд исследований посвященных повышению КПД существующих фотоэлементов за счет изменения их структуры, ввода в состав кристаллической решетки наночастиц, а также: повышению их прочности и долговечности, [31,32,34,35].

Для увеличения КПД гелиоустановок и снижения их стоимости применяются концентраторы лучистого потока энергии, которые направляют лучистый поток с большой площади на небольшой гелиоэлемент, что позволяет снизить общую стоимость гелиоустановки за счет уменьшения площади гелиоэлемента, а для некоторых типов гелиоустановок увеличить КПД преобразования. Применению концентраторов посвящены работы [36,37,38], в которых рассматривается конструкция концентраторов и их математическая модель, но не уделено внимание применению системы слежения за Солнцем и упрощению конструкции концентратора за счет спрямления его кривых. Т.к. КПД преобразования солнечной энергии повышается при приближении угла падения потока лучистой энергии на преобразователь к нулю, в состав гелиоустановок зачастую входит система, обеспечивающая наведение фотоэлемента на Солнце посредством следящего электропривода.

Гелиоустановки с концентрацией излучения вообще не могут обойтись без подобных электроприводов. Требования по точности наведения энергетических гелиоустановок на Солнце различаются в зависимости от их типа и, при наличии концентратора, от типа концентратора. Одним из основных требований ко всем следящим системам является точность наведения рабочего органа на Солнце, [39,40,41].

Условия эксплуатации и обслуживания ГУ различны. В одних случаях это промышленные установки с квалифицированным персоналом и хорошо оснащенной материальной базой. В других случаях, для бытовых, сельскохозяйственных ГУ с массовым применением характерно отсутствие

квалифицированного персонала. Для этих установок показателен надежный СЭП с простейшим обслуживанием. В целях обеспечения высокого уровня качества и производительности технологического режима ГУ требуется максимальная автоматизация, [42,43,44].

Для успешного решения задачи по увеличению масштабов использования солнечной энергии, т.е. широкого внедрения в практику ГУ требуется разработка, прежде всего простых и надежных следящих электроприводов, с простейшим обслуживанием. Вместе с тем следящий электропривод должен обеспечивать необходимую точность слежения. Наиболее жесткие требования в отношении точности слежения и надежности предъявляются к СЭП СП, [45, 46].

Следящий электропривод, обеспечивающий необходимую точность слежения для СП, применим и для любого другого типа ГУ с меньшими требованиями. Таким образом, данный СЭП приобретает общность и представительность для широкого класса различных ГУ.

Ниже приводятся информационные источники по электроприводам ГУ.

В книге «Солнечные высокотемпературные печи», [47], дан обзор СП, а также их СЭП, созданных за рубежом. Наиболее совершенная из них система СЭП, выполненная на переменном токе, имеет ряд существенных недостатков. К ним относятся сложность и низкая надежность датчика рассогласования, недостаточная точность слежения, большое время подготовки к работе. Наладка и эксплуатация таких СЭП требует высокой квалификации оператора.

В статье Овсянникова Е.М. [48], исследован электропривод энергетической ГУ. Рассматриваемый релейный СЭП характеризуется большой погрешностью наведения - единицы угловых градусов и не может быть распространен на широкий класс ГУ.

В отчете «Оптимизация режимов слежения по потерям электроэнергии в тихоходных следящих электроприводах» [49] описан конкретный вариант

исполнения релейного СЭП для СП с двухметровым диаметром зеркала. Анализ СЭП показал, что он не может обеспечить указанную точность - одну угловую минуту, из-за своих структурных и конструктивных недостатков. Обращает на себя внимание несовершенство датчика рассогласования, отсутствие обоснования в выборе двигателя и определения передаточного отношения редуктора. Кроме того, сам принцип работы СЭП на базе контактной аппаратуры делает схему недостаточно надежной и долговечной.

В автореферате Овсянникова Е.М., [50], был исследован СЭП, разработаны механические и электромеханические способы компенсации кинематических люфтов, датчик положения и оптимальная структура маломощных СЭП, анализируется возможность точностных показателей за счет компенсации кинематических люфтов. Однако не проанализирован вопрос о влиянии на точность слежения нелинейного момента сопротивления СЭП ГУ. Наличие даже высокоточного СЭП является необходимым, но недостаточным условием стабилизации температуры в СП, так как СЭП не в состоянии обеспечить поддержание температурного режима при флюктуациях солнечной радиации. Не обеспечивает СЭП и требуемые по технологическим условиям испытаний различные законы изменения температурных режимов СП. Также не обеспечивает высококачественное регулирование температурных режимов ручное управление экранирующего органа. Следовательно, возникает потребность в разработке дополнительно к СЭП автоматизированного электропривода регуляторов лучистого потока, которые в совместной работе с СЭП позволят расширить возможность регулирования и точности температурных режимов, что способствует расширению номенклатуры и качества испытаний различных материалов на СП.

В статье, [51], исследована устойчивость и качество переходных процессов автоматической системы управления СЭП ГУ. В статье Костюковского Д.Т., [52], исследована система управления взаимосвязанного

автоматизированного шагового электропривода гелиостатов применительно к Крымской солнечной электрической станции. В зарубежных публикациях, например [53], описано СП в США (Канзас-Сити) с диаметром зеркала 1,5 м. и с фокусным расстоянием 0,66 м., где регулирование температуры происходит с помощью ручного управления экранирующим цилиндром. В статье, опубликованной в 1985 году, [54], описана вертикально-осевая СП 8Р-3 в Нагойе (Япония) с диаметром концентратора 1,5 м. и гелиостатом 2,5*2,5 м., где между гелиостатом и концентратором размещен регулятор температуры и тепловых потоков с ручным управлением продольного перемещения регулирующего экрана.

Значительная часть автореферата Турдзеладзе Д.А., [55], посвящена разработке электропривода регулятора лучистого потока СП, что в совокупности с двухкоординатной системой наведения образует комплексную автоматизированную электромеханическую систему регулирования температурных режимов в СП прямого наведения с погрешностью равной 30 -5О С. Такая большая погрешность не соответствует современным технологиям работ, проводимым на наземных СП прямого наведения. Сложность представленной комплексной электромеханической сис