автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров электромеханической системы солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом

На правах рукога

Нго Сян Кыонг

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ С РЕАКТИВНО-ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1 окг т

Тула-2013

005536638

005536638

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

Степанов Владимир Михайлович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Бабокин Геннадий Иванович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника» НИ (Филиал) РХТУ им. Д.И. Менделеева

Фомин Андрей Васильевич, кандидат технических наук ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ», технический руководитель проектов

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический

университет»

Защита диссертации состоится 18 ноября 2013 г. В 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.12 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, ауд.9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского

государственного университета.

Автореферат разослан «17» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.271.12 д.т.н. Профессор

Елагин Михаил Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется серьезное внимание. Из всех видов возобновляемых источников энергии наиболее перспективным и доступным представляется Солнце. Для преобразования энергии излучения Солнца в электрическую используются солнечные батарей (энергетические гелиоустановки (ЭГУ)). Многие страны уделяют большое внимание развитию солнечной энергетики. В первую очередь это страна Европейского Союза, Япония и США. Развивающиеся страны, испытывающие недостаток в национальных энергоресурсах также приобретают гелиоустановки в стратегических интересах или для решения специфических проблем. Наиболее актуальным направлением на сегодняшний день представляется использование небольших автономных гелиоустановок в отдаленных местностях для бытовых и сельскохозяйственных нужд - освещения, подачи воды насосами и т.п. В связи с тем, что стоимость электроэнергии, производимой гелиоустановкой очень высока, стоит задача повышения КПД установки, снижения потребляемой электроприводом электроэнергии. В этой работе особый интерес представляют электромеханические системы солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

Повышение точности и надежности прецизионных следящих систем автоматического управления обеспечивается применением в них безредукгорных электроприводов, один из которых является реактивно-вентильным двигателями (РВД). Использование РВД в следящей технике и в других видах электропривода объясняется высокой надежностью, простотой конструкции, технологичностью изготовления и низкой стоимостью. Хотя сами реактивно-вентильные машины достаточно хорошо изучены, задача улучшения рабочих динамических и статических характеристик и массогабаритных показателей системы в целом становится актуальной.

Значительный вклад в развитие данного научного направления внесли работы Б. А. Ивоботенко, И. Ф. Ильинского, П. Ю. Каасика, Б. Е. Коника, A.C. Куракина, Ф М. Юферова, М. Г. Бычкова, А. В. Демагина, В.Ф. Козаченко, Л.Ф. Коломейцева, А Б Красовского, В.А. Кузнецова, С.А. Пахомина, А.Д. Петрушина, Ю.А. Голлавдцев Ваткин В .А, Овсянников Е.М., Сорокин Г,A., Lawrenson P.J., Miller T.J.E., Stephenson J.M. и др. Это способствовало расширению исследований и промышленных разработок ВИД, а также электроприводов на их основе для различных систем автоматического управления.

В то же время возросшее применение ВИД в современном электроприводе и необходимость оптимизации режимов их работы требует использования новых математических моделей, учитывающих характерные особенности таких систем-наличие двухсторонней зубчатости, насыщение магнитной цепи, параметры коммутатора, дискретность работы фаз ВИД. Пробелом во всех исследованиях является отсутствие методики расчета параметров двигателя для ГУ в зависимости от конкретной местности и конкретных размеров солнечных батарей.

Поэтому обоснование рациональных параметров электромеханической системы и следящей системы управления, обеспечивающей повышение КПД, надежность, точность позиционирования при ориентации солнечных батарей и повышение эффективности ее функционирования, является важной научной задачей.

Цель работы состоит в повышении надежности и точности позиционирования при ориентации солнечных батарей, и, эффективности функционирования электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом путем обоснования их рациональных параметров структуры и формирования закона управления в следящем режиме.

Задачи исследования:

1. Анализ конструктивных схем и условий эксплуатации электромеханических систем солнечных батарей, способов управления их режимами работы и расчета параметров.

2. Разработка математической модели электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, учитывающей в комплексе его функциональные связи трансмиссий с трансмиссией устройства слежения за солнцем, надежность и точность позиционирования.

3. Исследование математической модели электромеханических систем СБ с реактивно-вентильным электроприводом для установления закономерностей формирования управляющего воздействия в системе функциональных связей их трансмиссий с трансмиссией устройства регулирования точности позиционирования солнечных батарей по критерию надежности.

4. Определение зависимости, устанавливающей функциональные связи точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей. ^

5. Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

6. Разработка методики определения рациональных параметров электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом по критерию надежности.

7. Определение структуры и топологии управления электромеханической системой солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

8. Численные и экспериментальные исследования режимов работы электромеханических систем солнечных батарей при применении разработанных технических решений устройства управления ее электроприводом.

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня значения точности позиционирования при ориентации солнечных батарей путем обоснования рациональных параметров электромеханической системы с реактивно-вентильным электроприводом по критерию надежности, структуры и топологии управления ее режимами работы для повышения эффективности ее функционирования

Объектом исследования является электромеханическая система солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

Предметом исследования являются переходные процессы, протекающие в электромеханической системе солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

Методы исследования, используемые в работе, основаны на применении теории электрических цепей, автоматического управления, надежности, вероятностей и математической статистики, численных методов и экспериментальных исследований с применением ЭВМ. Исследования проводились с применением программы МАТЬАВ&БтиНпк.

Автор защищает:

1. Зависимость, устанавливающую функциональную связь точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей.

2. Математическую модель электромеханической системы солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, учитывающей функциональные связи трансмиссии с трансмиссией устройства слежения за солнцем.

3. Закономерности формирования управляющего воздействия в системе функциональных связей трансмиссий электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом с трансмиссией устройства регулирования точности позиционирования солнечных батарей относительно солнца.

4. Зависимости для расчета рациональных параметров электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом и условия реализуемости их конструкционной и функциональной надежности в технические решения структуры и топологию управления их режимами работы.

Научная новизна заключается в определении рациональных параметров электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, закономерностей формирования структуры и топологии управления ее режимами работы для повышения надежности и эффективности работы системы.

Она представлена следующими результатами:

- определены зависимости, устанавливающие функциональные связи точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей.

- определены зависимости для расчета рациональных параметров электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом на основе исследования ее математической модели;

- установлены закон и условия формирования управляющих воздействий в электромеханических системах солнечных батарей с реактивно-вентильным

электроприводом, обеспечивающие повышение надежности и эффективности их

функционирования;

• - определены условия реализуемости конструкционной и функциональной надежности математической модели электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом в разработку технических решений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождения между которыми не превышает 13%, что допустимо в инженерных расчетах.

Практическое значение. Разработана методика расчета рациональных параметров электромеханической системы солнечных батарей с реактивно-

вентильным электроприводом.

Реализация результатов работы. Основные научно-практические результаты диссертационной работы переданы для практической реализации на ЗАО "Производственное объединение Тулаэлектропривод", а также используются в учебных курсах "Специальные главы электропривода", "Энергетика электропривода" и "Специальные виды электроприводов" на кафедре

"Электроэнергетика" ТулГУ.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула 2010-2012 г.), Международной научно-технической конференции «Энергосбережение -2011» (г. Тула, 2011г.), Энергосбережение -2012 (г. Москва, 2012), Энергосбережение -2013 (г. Москва, 2013).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 7 статьях, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК, имеется 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 120 наименований и включает 113 страниц машинописного текста, содержит 46 рисунка и 6 таблиц. Общий объем -127 страницы.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Электроэнергетика» Тульского государственного университета, доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу за научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе диссертации проведен анализ литературы, конструктивных схемы и условий эксплуатации, методов расчета параметров ЭМС солнечных батарей.

Анализ конструктивных схемы и условий эксплуатации электромеханических систем солнечных батарей показал, что из работ Овсянникова Е.М., Сорокина Г.А., Юрченко А.В, Прокопова, О.И, Шинякова Ю.А., Шурыгина Ю.А., Аржанова В.В., Адамова Д.Н., следует, - не выполняются для таких объектов требования, которые должны характеризоваться низкой конечной стоимостью электропривода, высокой надежностью конструкции, ограничения влияния температуры окружающего воздуха, устойчивостью от ветровых нагрузок и достаточной точностью позиционирования.

Данным требования удовлетворяют ЭМС солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом. Исследования реактивно-вентильных электроприводов (Ивоботенко Б. А., Ильинского И. Ф., Каасика П. Ю., Lawrenson P.J., Miller T.J.E., Stephenson J.M., и др) обеспечат повышение эффективности ЭМС солнечных батарей и опираются на современную теорию управления (Le Huy Н., Козаченко В.Ф., Коломейцева Л.Ф., Красовского А.Б., Голландцева Ю.А., Ваткина В. А.).

Для повышения КПД и точности позиционирования ЭМС солнечных батарей применение реактивно-вентильных электроприводов в этих комплексах обеспечат повышение точности позиционирования до 30%.

Выполненный анализ позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой математической модели ЭМС СБ с реактивно-вентильным электроприводом и установлена зависимость, учитывающая функциональную связь точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей.

Математическое описание динамических свойств реактивно-вентильного двигателя описывают системой уравнения. Уравнение фазового напряжения, учитывающего угол поворота ротора.

OVMiA U :=R-i: +-1-—

7 у Л

где Я - фазовое сопротивление; % - потокосцепление; Ц - фазовое напряжения; /) — фазовый ток.

Потокосцепление вводятся в качестве дополнительных переменных, устанавливающих необходимую связь между токами и индуктивностями обмоток двигателя.

Электромагнитный момент РВЭД.

Уравнение равновесия моментов на валу электропривода.

M = J~ + B(o + Mнг, Л

с®

— = 03, Л

угол вк.

-►

угол отл.

РВЭД

Рис. 1. Схема РВЭД

Рис. 2. Характеристики РВЭД I - Скорость; 2 - Электромагнитный момент; 3 - Фазовое напряжение; 4 -Фазовый ток; 5 - Угол поворота.

Исследование разработанной математической модели проводилось на ПЭВМ с помощью пакета программ, разработанных для сложных дифференциальных уравнений. На рис. 1 представлена схема РВЭД. А на рис. 2 показаны результаты моделирования переходных процессов РВЭД.

8

Для расчета эффективности ЭМС СБ с РВЭД нужно определить зависимость устанавливающую функциональную связь точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей.

КПД СБ определяется отношением:

Jk р

где Р - мощность падающего на СБ солнечного излучения, приходящаяся на единицу поверхности СБ, Рм - максимальная выходная мощность СБ, отнесенная к площади его поверхности.

Потери мощности в СБ за дневной сеанс слежения в результате перехода от режима непрерывного автосопровождения Сольца к режиму шагового автосопровождения имеет вид:

Р,, -0)ш

АРпг = 7Г , ч («, - sin - «7 + sin )

сь вш^ш-Юс) 1 12 2

где вш - величина шага; шш - скорость СБ в течении шага, рад/с; сос - скорость кажущегося движения Солнца по небосклону, рад/с; a¡ - углом между солнечным излучением и нормалью наклонной поверхности в начале совершения шага, рад; а2 - углом между солнечным излучением и нормалью наклонной поверхности в конце совершения шага, рад; Рм - максимальная при ориентации СБ по нормали к солнцу выходная мощность СБ, отнесенная к площади его поверхности.

Потери энергии в СБ за дневной сеанс слежения

AW,=t АР„„ ф с СЬ

где 4- время непрерывного слежения.

вя, град

Рис. 3. Зависимость дополнительных средних КПД СБ от величины шага.

При режиме шагового автосопровождения КПД СБ определяется следующим выражением:

Р — АР

= J\Л-—-(й Шй -а пта,)]

'ш Р 'М1 вш(аш-а>с) 112 2

р

где т]м максимальный КПД при ориентации СБ по нормали к солнцу.

На рис. 3. представлены зависимости 7]ш ¡т]м от величины шаг вш при «; =

вш и а2= 0. Видно, что при 0Шбольше 20° потеряем 5% КПД СБ.

Сэкономленная энергия двигателя в результате перехода от режима непрерывного автосопровождения Сольца к режиму шагового автосопровождения за дневной сеанс слежения определяется формуле:

со со

ЛГЛ =РЛ (1-----~ты)

дв дв ск а о М' ш ш

где Рде — номинальная мощность двигателя; Тм - электромагнитная постоянная времени двигателя.

вж. фад

Рис. 4. Зависимость энергии от величины шага. 1 - сэкономленная энергия двигателя; 2 - потерь энергии в СБ; 3 -их

разность.

На рис. 4 представлены зависимости сэкономленной энергии двигателя, потери энергии в СБ и их разности от величины шага. Видно, что при оптимальном шаге вопт получается оптимальная энергия ЭМС СБ. Математическом методом определена оптимальная величина шага по формуле:

ЪРдвТМ Пс^ш-Ус)

\! РМ <°ш

Исследуется характеристики переходных процессов РВЭД при режиме с оптимальным шагом. Результаты исследования математической модели были проведены на ПЭВМ с помощью пакета программ МаНаЬ-^тиПпк и показаны на рис. 5, 6.

Рис. 5. Угол поворота платформы СБ

Рис. 6. Характеристики РВЭД с оптимальным шагом 1 - Скорость; 2 - Электромагнитный момент; 3 - Фазовое напряжение; 4 -Фазовый ток; 5 - Угол поворота.

По результатам моделирования можно сделать вывод о соответствии

математической модели реальному объекту.

Далее во второй главе рассмотрены вопросы установления условии реализуемости функциональной надежности ЭМС солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом. С этой целью определяется уровень ее надежности

Я

н ку

где ц , яс- вероятности отказа системы существующего и нового технического уровня; ку- коэффициент технического уровня, равный

F л к С О S N Т

_Ç. Js. li. в SS. __» J^O.

F п к С О S N Т

В IО В С i-'O в дн H

где соответственно Fc и FH - усилия на валу электродвигателя; г|с и г|н — к.п.д. электромеханической системы установки; кЗКС и £зкн — коэффициент затухания колебаний в электромеханической системе; Сс и Сн - структурная жесткость электропривода; Qc и Оп - эффективность установки солнечной батареи; Sc и Sl{ — Зона чувствительности датчика положения солнца; NRC и Nm - расход деталей на ремонт электромеханической системы; Тс и Г — время рассогласования.

Исходя из структуры взаимосвязанных элементов и устройств ЭМС солнечных батарей и равной вероятности отказов по общеизвестным зависимостям структурной надёжности, устанавливается требуемая их вероятность отказов qit - <7,(Фг) и уровень показателей (табл).

____Таблица

Янм р 1 им 'им, ч T0fL4, ч totb Ч

0,0088 0,9912 0,0024 13,8 416,7 1,65

k лтгпш К к„ k0

0.9961 0,9422 1,45-1,7 1,53-1,96 0,9952 0,6320

где цнм — вероятность безотказной работы; /„„ - требуемое время безотказной работы; Хни — допустимая интенсивность отказов; Тош — требуемое среднее время наработки на отказ; 1дп - допустимое время простоя; Кгт, - коэффициент готовности; - требуемое значение коэффициента технического

использования; к„ — коэффициент перегрузки, учитывающий изменение нагрузки от номинальной; К„ - коэффициент надежности (запаса) по конструкционному материалу; кт - коэффициент условий работы, учитывающий изменение нагрузки; к0 — коэффициент однородности конструкционных материалов, учитывающий изменение ее механических свойств.

Условия реализуемости конструкционной и функциональной надёжности системы

к2

2 , ' Д н > Т КтКо он

где Гя - действующая на элементы конструкции; Fн — нормативная нагрузка на элементы конструкции; Тос - среднее время наработки на отказ существующих систем.

^•п гг2 ^ р . 1дпТрс < - д ^ н ' —-2 Янм

В третьей главе разработано устройство управления ЭМС солнечных батарей с РВЭД, и определены ее структуры, закон и топологии управления.

Разработка устройства управления электроприводом солнечных батареи с реактивно-вентильным электроприводом для определения рациональной точности позиционирования (рис. 7).

п1—га7

со <1 тт гт

м

12

Рис. 7. функциональная схема устройства управления электромеханической

системой солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом

1- систему автоматического управления; 2- вентильный коммутатор; 3, 4-зенитальный и азимутальный реактивно-вентильный двигатель; 5 - солнечная батарея; 6,7- механизмы передач; 8 - датчики тока; 9 - корректирующее устройство; 10-широтно-импульсный преобразователь; 11,12-датчики положения; 13 - блок сравнения.

ЭМС солнечного батареи содержит систему автоматического управления 1, выходы которой связаны с первыми входами вентильного коммутатора, выходы которого связаны с входами каждого реактивно-вентильного двигателя зенитального 3 и азимутального 4, первые выходы которых связаны солнечным модулем 5, посредством механизмов передач зенитального 6 и азимутального 7 соответственно. Вторые выходы реактивно-вентильных двигателей зенитального 3 и азимутального 4 связаны с тремя датчиками тока 8 каждый. Все выходы датчиков тока 8 связаны с входами корректирующего устройства 9, выход которого связан с входом широтно-имгтульсного преобразователя 10, выходы которого связаны со вторыми входами вентильного коммутатора 2. Выход солнечной панели 5 связан с входами каждого датчика положения зенитального 11 и азимутального 12, выходы которых связаны с входами блока сравнения 13.

ЭМС солнечных батарей работает следующим образом. Для ориентации солнечного модуля 5 на солнце используют управляющие сигналы, формируемые датчиками положения азимутальным 12 и зенитальным 11, закрепленными на каркасе перпендикулярно фоточувствительной поверхности солнечного модуля 5. На блок сравнения 13 поступают управляющие сигналы с датчиков положения

13

азимутального 12 и зенитального 11, сравнивающиеся с соответствующими задающими сигналами. Сигналы ошибок из блока сравнения 13 поступают в систему автоматического управления 1. Управляющие сигналы из выходов системы автоматического управления 1 регулируют ключи вентильного коммутатора 2. Напряжение постоянного тока из вентильного коммутатора 2 питают реактивно-вентильные двигатели азимутальные 4 и зенитальные 3, крутящие моменты из которых вызывают азимутальные и зенитальные круговые вращения солнечного модуля 5, посредством механизмов передачи азимутального 7 и зенитального 6 соответственно. Для управления и снижения пульсации крутящего момента двух азимутального 4 и зенитального 3 реактивно-вентильных двигателей используют шесть датчиков тока 8, сигналы тока из которых поступают в корректирующее устройство 9, корректирующие сигналы из выхода которого поступают в широтно-импульсный преобразователь 10, управляющие сигналы из которого регулируют ключи вентильного коммутатора 2. Электромеханическая система солнечного модуля при заходе солнца управляет системой автоматического управления 1 с реально-временными часами и реагирует так, что солнечный модуль 5 обратно поворачивается на восток, а при длинном бессолнечном дне управляющих сигналов из азимутального 12 и зенитального 11 датчиков положений не будет и тогда электромеханическая система солнечного модуля возвращается в стационарное состояние.

Предложенное техническое решение электромеханической системы солнечных батарей позволило повышение точность позиционирования при ориентации солнечных батарей в два раза и эффективность работы установки.

Определены структурная схема и передаточные функций системы управления для определения формирования законов и качества регулирования реактивно-вентильного электропривода в разных условиях работы.

Передаточная функция реактивно-вентильного электропривода:

ТмР + ]-

где Тм - электромеханическая постоянная времени; кдй - жесткость механической характеристики.

Передаточная функция коммутатора:

(п )= Ктп—

тп(Р) ТтпР+1

где К„„ — коэффициент передачи преобразователя частоты; Тт„ — постоянная времени преобразователя.

Передаточная функция механизм передачи:

а(р) 1+/ф где ц — передаточный коэффициент редуктора.

Передаточная функция датчиков тока:

W(p) =

к

Tp +1

Передаточная функция корректирующего устройства;

Передаточная функция широтно-импульсного преобразователя

Ш(р~) = К

На рис. 8. приведена структурная схема устройства управления системой солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом

1 S<VX«S5ft«3»

Kj,

i - 7,уР

кс«ртладк? усгфойет»

Wpro

{ШФЯКЯаЯ

® -L:

Х^х ßirßyr

1 + ГЛ>

** „

УВД;

RfignüibBiifS

тимуда^

«жкшш*

EöpÄiS&'iH

дичаиси

Söbä

к* 1 IM 1 .

»♦lim 1 ~rMF

яарелзчк

¡шшхя яйзеэашя.

Рис Я Структурная схема устройства управления электромеханической системой солнечных батарей с реактивно-вентилънъш электроприводом

Применение регуляторов Р, PI, PID для установленной схемы определяет запас устойчивости и оценивает качество регулирования. На рис. 9. представлены результаты моделирования на программе Matlab-simulink.

'А Ь 125

S 1 р ее 1 fs р 45

i

>тол поворота Не регулирование — - - Регулирование Р --PervaipoBaHLie PI -Регулирование PiD

угав поворота

-Не регулирование--РегутгровзнигР

---РегтадровандеР!--РегяыракцгаеРШ

а. запас устойчивости по амплитуде б. запас устойчивости по фазе

......................................................;....!

5 .....................................................i \ .

....................................................1......,...... ...........

Е r 1 v

....................................:::::,':.......\......................

а .....................................................}..............

£ ..............................................................!.... ..........

l 2 J 4 5 s 7 S i

угол поЕорота

— Не р«гУжфозаниг -----Регулирование г

— Регулирование PI -Регушфованве РЮ

д. время регулирования е. перерегулирование

Рис. 9. Результаты применения регуляторов Р, PI, PID

Анализ полученных результатов приводит к следующему выводу. Оценка запаса устойчивости и качество регулирования через времени регулирования, установившееся значение и перерегулирование при использовании регуляторов Р, PI, PID показывают, что целесообразно используются PI, PID регулирования при малом угле поворота, а Р регулирование при большом угле поворота.

В четвертой главе проведено планирование эксперимента, разработана физическая модель ЭМС солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом (рис 10).

Разработанная методика экспериментальных исследований соотношения мощностей электропривода системы солнечных батарей и электропривода определяет критерии подобия его физической модели реальной установке

Рис 10. Стенд и аппаратура экспериментальных исследований 1 - Вертикальный РВЭД; 2 - Горизонтальный РВЭД; 3 - трансформатор тока; 4 -трансформатор напряжения; 5 - вертикальный вал с ведущим зубчатым колесом; 6 - горизонтальный вал с ведущим зубчатым колесом; 7 - солнечная батарея; 8 - датчик положения Солнца; 9 - обработка на ЭВМ; 10 - обработка сигналов управления электроприводом; 11 - ЭВМ;

На рис. 11 представлено изменение потери мощности СБ от времени за один период слежения. Видно, что потери мощности СБ для шага 1° меньше чем потери мощности СБ для шага 2° на 4 раза.

Обработка результатов экспериментальных исследований показала, что наименьшие значения потери мощности СБ достигались при диапазоне шагов и,э , а при 1 обеспечивалась наибольшая эффективность функционирования электромеханической системы.

Результаты экспериментальных исследований доказали правильность теоретических исследований и разработанных технических решений по повышению эффективности функционирования электромеханических систем электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена задача обоснования рациональных параметров, условий формирования закона и структуры управления электромеханическими системами солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, обеспечивающих снижение пульсации крутящего момента и повышение надежности, точности позиционирования и эффективности их функционирования.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем-

1. Разработана математическая модель ЭМС солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, учитывающей его функциональные связи трансмиссий с трансмиссией устройства слежения за солнца.

2. Установлена зависимость, учитывающая функциональную связь точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей.

3. Установлены условия реализуемости математической модели ЭМС солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом и разработана методика расчета их рациональных параметров по критерию надежности.

4. Определены рациональные параметры электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным элеюроприводом, условия

формирования закона и структуры управления ими на основе исследования их математической модели.

5. Численное моделирование переходных процессов в электромеханических системах солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом позволило определить рациональные режимы их работы и при сравнении расчетных и экспериментальных исследований показало что расхождение их не превышает 13%, что допустимо в инженерных расчетах

6. Разработано корректирующее устройство для снижения пульсации крутящего момента, с помощью которого улучшает качество работы реакгивно-вентильного электропривода и снижается потери энергии СБ.

7 Разработана физическая модель электромеханической системы солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом и ^ ДИ физического моделирования структуры Убавления, .¿SSSi экспериментальных исследований по оценке правильности и эффективности результета теоретических исследовании и разработанных технических решении по их реализации, а эффективность достигала 20-30%.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Нго Сян Кыонг. Обоснование применения реактавно-вентильного электродвигателя в следящей системе солнечных батареи //Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Вын.6.4.1 - С.165-169.

Техническиенауки у^ ^ ^ ^^ Моделирование переходных процессов в системе реакшвно-венгильного эле^родвигателя солнечньгх

батарей // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.

ВЫП-6-3ЧЛНгоС'Сян7Кыонг. Управление скоростью реактивно-вентильного электродвигателя с идентификатором угла. VII магистерская научно-техническая

конференция. Россия, Тула, 23-27 апреля 2012 года- С.184-185.

4 Нго Сян Кыонг. Моделирование электромеханической системы с реактивно-вентильным электродвигателем // Известия ТулГУ. Технические ¡.avíen Тула- Изд-во ТулГУ, 2013. Вып.1. - С.314-318.

^ 5 №о Сян Кыонг. Повышение эффективности солнечных батарей с помощью следящей системы // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула.

«ем электромеханических

систем солнечных батарей // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула. Изд-во 3ь10НГ Куок Зунг. Синтез замытой

системы скалярного управления скоростью асинхронного двиг теля // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Вып.12. 4.2.

С.163-166. полезную модель. Электромеханическая система

солнечного мо^ля: Рос. Федерация. Степанов В.М, Нго Сян Кыонг. Опубл. 27.04.2013. Бюл. №12.

Изд.лиц.ЛР_№ 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 16.10.2013 Формат бумаги 60x84 Vi6. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 1,1 Уч.изд. л. .1,0 Тираж 100 экз. Заказ 050 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

ТУЛЬКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201364855

Нго Сян Кыонг

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ С РЕАКТИВНО-ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Степанов В.М.

т правах рукописи

Тула-2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................4

ГЛАВА 1. Анализ конструктивных схем, условий эксплуатации электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, методов их выбора, обоснования и оценки.............................................................................................................1 1

1.1 Анализ конструктивных схем и условий их эксплуатации............11

1.1.1 Обзор электромеханических систем солнечных батарей...........11

1.1.2 Анализ солнечных датчиков...........................................................16

1.1.3 Конструкции и условии эксплуатации ЭМС СБ...........................18

1.2 Выбор и обоснование электромеханических систем солнечных батарей........................................................................................................29

1.2.1. Описание объекта управления.......................................................29

1.2.2. Обоснование основной структуры электромеханических систем солнечных батарей....................................................................................31

1.3 Анализ методов расчета параметров ЭМС с реактивно-вентильным электроприводом и точности позиционирования..................................35

1.4 Цель и задачи исследования...............................................................48

1.5 Выводы.................................................................................................49

ГЛАВА 2. Моделирование переходных процессов в электромеханических системах солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом и определение уровня надежности функционирования........................................................................................51

2.1 Математической модели движения Солнца по небосклону...........51

2.2 Исследование математической модели для определения рациональных параметров и режимов работы.......................................56

2.3 Моделирование переходных процессов реактивно-вентильного электропривода..........................................................................................59

2.4 Зависимость КПД и потери энергии солнечных батарей от точности позиционирования....................................................................70

2.5 Определение уровня надежности электромеханической системы солнечной батареи.....................................................................................76

2.6 Выводы.................................................................................................83

л

J

ГЛАВА 3. Разработка и определение рациональных параметров электромеханической системы солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.....................................................................85

3.1 Разработка технических решений по повышения точности позиционирования.....................................................................................85

3.2 Разработка структуры, закон и топологии управления электромеханической системой СБ.........................................................89

3.3. Исследование устойчивости системы управления реактивно-вентильным электроприводом.................................................................92

3.4. Выводы................................................................................................97

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования применения разработанной

структуры управления электромеханической систем СБ с РВЭД...........98

4.1. Планирование эксперимента.............................................................98

4.2. Стенд аппаратура и методика исследований..................................99

4.3. Экспериментальные исследования.................................................106

4.4. Выводы..............................................................................................1 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время серьезный вопрос мира - использование возобновляемых источников энергии для улучшения качества окружающей среды и решения истощения традиционных земных ресурсов. Солнечная энергия является наиболее широко используемым, перспективным и доступным источником из всех видов возобновляемых источников энергии. Для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию используются солнечные батарей (энергетические гелиоустановки (ЭГУ)). Много стран в мире уделяют большое внимание развитию солнечной энергетики. В первую очередь это страна Европейского Союза, Япония и США. Развивающиеся страны также приобретают солнечные батарей в стратегических интересах и в специфических проблемах для испытания недостатков в национальных энергоресурсах. Наиболее актуальным применением на сегодняшний день представляется использование небольших автономных систем солнечных батарей в отдаленных местах для бытовых и сельскохозяйственных нужд - отопления, освещения, использования двигателя, насоса и т.д. Но в связи с тем, что стоимость электроэнергии, производимой системой солнечных батарей, очень высока, чем других, поэтому стоит важная задача повышения надежности и КПД системы, снижения потребляемой электродвигателем электроэнергии. В этой работе особый интерес представляют электромеханические системы солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

Повышение точности и надежности прецизионных следящих систем автоматического управления обеспечивается применением в них безредукторных электроприводов, один из которых является реактивно-вентильным электродвигателями (РВЭД). РВЭД в следящей системе и в других видах электропривода используется за высокой надежности,

простотой конструкций, технологичности изготовления и низкой стоимости. Хотя литературы самых реактивно-вентильных машин были достаточно хорошие и многие, но задача применения и повышения рабочих статических и динамических характеристик системы представляется актуальной.

Значительный вклад в развитие данного научного направления внесли работы Б. А. Ивоботенко, И. Ф. Ильинского, П. Ю. Каасика, Б. Е. Коника, A.C. Куракина, Ф. М. Юферова, М. Г. Бычкова, А. В. Демагина, В.Ф. Козаченко, Л.Ф. Коломейцева, А.Б. Красовского, В.А. Кузнецова, С.А. Пахомина, А.Д. Петрушина, Ю.А. Голландцев, Ваткин В.А, Овсянников Е.М., Сорокин Г.A., Lawrenson P.J., Miller T.J.E., Stephenson J.M. и др. Это способствовало расширению исследований и промышленных разработок РВЭД, а также электроприводов на их основе для различных систем автоматического управления.

В то же время возросшее применение ВИД в современном электроприводе и проблема оптимизации и улучшения режимов их работы понудят исследования нового математического модели, в котором учитываются характерные особенности систем ВИД: наличие двухсторонних зубчатых ротора и статора, параметры вентильного коммутатора, насыщение магнитной цепи, дискретность работы фаз ВИД. Пробелом во всех исследованиях является ненахождение методики расчета параметров двигателя для системы солнечных батарей в зависимости от конкретной местности и конкретных размеров солнечных батарей.

Поэтому обоснование рациональных параметров

электромеханической системы и следящей системы управления, обеспечивающей повышение КПД, надежность, точность позиционирования при ориентации солнечных батарей и повышение эффективности ее функционирования, является важной научной задачей.

Цель работы состоит в повышении надежности и точности позиционирования при ориентации солнечных батарей, и, эффективности функционирования электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом путем обоснования их рациональных параметров структуры и формирования закона управления в следящем режиме.

Задачи исследования:

1. Анализ конструктивных схем и условий эксплуатации электромеханических систем солнечных батарей, способов управления их режимами работы и расчета параметров.

2. Разработка математической модели электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, учитывающей в комплексе его функциональные связи трансмиссий с трансмиссией устройства слежения за солнцем, надежность и точность позиционирования.

3. Исследование математической модели электромеханических систем СБ с реактивно-вентильным электроприводом для установления закономерностей формирования управляющего воздействия в системе функциональных связей их трансмиссий с трансмиссией устройства регулирования точности позиционирования солнечных батарей по критерию надежности.

4. Определение зависимости, устанавливающей функциональные связи точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей.

5. Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

6. Разработка методики определения рациональных параметров электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом по критерию надежности.

7. Определение структуры и топологии управления электромеханической системой солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

8. Численные и экспериментальные исследования режимов работы электромеханических систем солнечных батарей при применении разработанных технических решений устройства управления ее электроприводом.

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня значения точности позиционирования при ориентации солнечных батарей путем обоснования рациональных параметров электромеханической системы с реактивно-вентильным электроприводом по критерию надежности, структуры и топологии управления ее режимами работы для повышения эффективности ее функционирования

Объектом исследования является электромеханическая система солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

Предметом исследования являются переходные процессы, протекающие в электромеханической системе солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

Методы исследования, используемые в работе, основаны на применении теории электрических цепей, автоматического управления, надежности, вероятностей и математической статистики, численных методов и экспериментальных исследований с применением ЭВМ. Исследования проводились с применением программы МАТЬАВ & БитшИпк.

Автор защищает:

1. Зависимость, устанавливающую функциональную связь точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей.

2. Математическую модель электромеханической системы солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, учитывающей функциональные связи трансмиссии с трансмиссией устройства слежения за солнцем.

3. Закономерности формирования управляющего воздействия в системе функциональных связей трансмиссий электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом с трансмиссией устройства регулирования точности позиционирования солнечных батарей относительно солнца.

4. Зависимости для расчета рациональных параметров электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом и условия реализуемости их конструкционной и функциональной надежности в технические решения структуры и топологию управления их режимами работы.

Научная новизна заключается в определении рациональных параметров электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, закономерностей

формирования структуры и топологии управления ее режимами работы для повышения надежности и эффективности работы системы.

Она представлена следующими результатами:

- определены зависимости, устанавливающие функциональные связи точности позиционирования с КПД и потерями энергии солнечных батарей.

- определены зависимости для расчета рациональных параметров электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-

вентильным электроприводом на основе исследования ее математической модели;

- установлены закон и условия формирования управляющих воздействий в электромеханических системах солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, обеспечивающие повышение надежности и эффективности их функционирования;

- определены условия реализуемости конструкционной и функциональной надежности математической модели электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом в разработку технических решений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождения между которыми не превышает 13%, что допустимо в инженерных расчетах.

Практическое значение. Разработана методика расчета рациональных параметров электромеханической системы солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом.

Реализация результатов работы. Основные научно-практические результаты диссертационной работы переданы для практической реализации на ЗАО "Производственное объединение Тулаэлектропривод", а также используются в учебных курсах "Специальные главы электропривода", "Энергетика электропривода" и "Специальные виды электроприводов" на кафедре "Электроэнергетика" ТулГУ.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула 2010-2012 г.), Международной научно-технической конференции «Энергосбережение -

2011» (г. Тула, 2011г.), Энергосбережение -2012 (г. Москва, 2012), Энергосбережение -2013 (г. Москва, 2013).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 7 статьях, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК, имеется 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 120 наименований и включает 113 страниц машинописного текста, содержит 46 рисунка и 6 таблиц. Общий объем -127 страницы.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Электроэнергетика» Тульского государственного университета, доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу за научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.

ГЛАВА 1. Анализ конструктивных схем, условий эксплуатации электромеханических систем солнечных батарей с реактивно-вентильным электроприводом, методов их выбора, обоснования и оценки.

1.1 Анализ конструктивных схем и условий их эксплуатации.

1.1.1 Обзор электромеханических систем солнечных батарей.

В настоящее время солнечные батареи с номинальной мощностью питания до 1000 XV состоит более чем из 300 солнечных элементов, которые соединены оптимальными схемами.

Когда солнечное излучение непрерывно вертикально направлено к поверхности системы солнечных батарей, тогда получены оптимальные условия работы такой системы и повышение ее КПД. Для того чтобы на солнечные батарей постоянно попадали солнечные излучения нужна система для постоянного регулирования солнечной системы к солнцу. Такие системы называются электромеханическими системами солнечных батарей или следящими системами за солнцем.

Рис. 1.1. Одноосевая и двухосевая ЭМС солнечных батарей.

В принципе существует два основных типа ЭМС для солнечных батарей: одноосевые и двухосевые, которые представлены на рис.1.1.

Для одноосевых ЭМС есть полярные средства отслеживания и горизонтальные средства отслеживания. Одноосевые ЭМС перемещаются только в один угол. Таким образом, солнце и солнечные батарей перпендикулярны друг другу только в одной плоскости. Наилучшие условия для одноосевых ЭМС получается тогда, когда их ось вращения параллельна оси земли. Для того чтобы повышается точность этих одноосевых ЭМС солнечных батарей надо регулироваться их ость вращения вручную, чтобы компенсировать отклонение их оси от оси земли за сезонные эклиптические сдвиги.

Для двухосевых ЭМС излучение солнца всегда перпендикулярно поверхности батарей. Эти двухосевые ЭМС используют системы управления перемещениями двигатели посредством датчиков положения солнца, программируемых контроллеров, микропроцессоров, или контролирующих устройств GPS. Датчики положения солнца сообщают информацию углов отклонения, а контроллеры и микропроцессоры обеспечивают точное перемежение системы солнечных батарей. Программируемые управления используются с помощью заданных траектории солнца, регулируются вращательное перемещение оси системы солнечных батарей в направлениях, которые постоянно держат оптимальный угол косинуса в течение всех сезонов.

Пассивная солнечная следящая система делается с помощью использования низкокипящих сжатых газов, которые преобразует жидкость в газ солнечным теплом. Эти газа перемещаются или смещаются, и солнечная следящая система вынуждае