автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование моделей энергосберегающего управления электромеханическими системами

Р Г Б ОД 2 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

ИЛЬИН АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ ( НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА)

Специальность 05.09.03 — электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «'Злектротсхпическне комплексы аитоном-ных объектов» Московского жсрготичсского ипстшути (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук

профессор МАСЛОВ Г. И.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук профессор РОЗАНОВ Ю. К.,

кандидат технических наук профессор АКИМОВ С. В.

производственное объединение «Электромашстрой»

Защита состоится 13 ноября 1998 г. в 14.00 часов на заседании Диссертационного совета К 053.16.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 15, аудитория М-611.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке института.

Автореферат разослан "_"____1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета К 053.16.04 кандидат технических наук, доцент

Морозов В. А.

На правах рукописи

ИЛЬИН АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ ( НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА)

Специальность 05.09.03 —электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена па кафедре «Электротехнические комплексы аитоном-ных объектов» Москонского шергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических паук-

профессор МАСЛОВ С. И.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук профессор РОЗАНОВ Ю. К.,

кандидат технических наук профессор АКИМОВ С. В.

производственное объединение «Электромашстрой»

Защита состоится 13 ноября 1998 г. в 14.00 часов на заседании Диссертационного совета К 053.16.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 15, аудитория М-611.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке института.

Автореферат разослан "_"____1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета К 053.16.04 кандидат технических наук, доцент

Морозов В. А.

Актуальность работы. Многообразие функциональных задач, решаемых электромеханическими устройствами в составе различных технических систем и комплексов, повышение требований к их технико-экономическим и функциональным показателям приводит к необходимости создания сложных электромеханических систем (ЭМС). Увеличение количества и усложнение взаимосвязей компонентов служит источником значительных проблем, возникающих при разработках и обеспечении требуемого качества функционирования ЭМС. В данной ситуации натурные исследования по ряду причин оказываются неэффективными. Поэтому основным современным средством исследования ЭМС становится компьютерное моделирование, опирающееся па достижения теории моделирования сложных систем и возможности вычислительной техники.

Проблемы поиска эффективных проектных решений занимают одно из центральных мест при разработке ЭМС и их компонентов. При этом возрастает роль методов и средств управления и оценки реакции систем на управляющие воздействия. Кроме того, существенное место в современных разработках и исследованиях занимают проблемы эксплуатации уже существующих электромеханических устройств и систем, решение которых может обеспечить наиболее эффективные режимы их работы. И в том и другом случае качество принимаемых решений в значительной мере зависит от точности и достоверности моделей, используемых в процессе принятия проектных решений. Причем по мере совершенствования методов и средств проектирования и управления все более высокие требования предъявляются и к модельным представлениям разрабатываемых систем. При этом важным шагом в повышении адекватности моделей реальным объектам является переход к моделированию динамических процессов с учетом нелинейности внутренних связей компонентов системы.

Значительный вклад в становление и развитие методов и средств математического моделирования электромеханических преобразователей внесли отечественные ученые-электромеханики А. В. Иванов-Смоленский, И. П. Копылов, В. А. Кузнецов, И. Н. Орлов, Р. В. Фильц и многие другие. В их работах были сформированы теоретические основы создания и практического использования математических моделей динамических процессов в решении задач анализа рабочих показателей электромеханических преобразователей.

Существенно в меньшей мере проработаны в электромеханике вопросы поиска и исследования алгоритмов эффективного управления с учетом детального моделирования основных компонентов сложных ЭМС, в состав которых кроме основного системообразующего компонента могут включаться разнообразные преобразователи электрической, механической и других видов энергии, устройства контроля, управления, защиты и пр. В опубликованных работах, в основном ориентированных на применение упрощенных моделей, как правило, не находят отражения взаимосвязи электромеханиче-

ского преобразователя с другими элементами системы и не в полной мере отражаются внутренние связи, в значительной степени определяющие функциональные свойства ЭМС.

1) то же время представляется целесообразным па ризличных стадиях проектирования или поиска эффективных управляющих воздействий использовать модели различной степени сложности и адекватности, что подталкивает к необходимости создания целой совокупности моделей ЭМС различной степени детализации.

Таким образом, развитие методов и средств моделирования ЭМС с целью поиска и исследования алгоритмов их эффективного управления остается актуальной задачей и служит важным резервом совершенствования теории и практики применения электромеханических объектов.

Целью паГюгы является создание совокупности математических и компьютерных моделей динамических процессов, определяющих уровень функциональных показателей электромеханических систем, а также применение этих моделей для поиска и исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС.

Достижение поставленной цели предполагает конкретизацию и решение следующих основных задач:

определение состава, свойств и средств разработки моделей электромеханических систем с учетом динамических процессов;

разработка компьютерных моделей динамических процессов в электромеханических преобразователях, преобразователях электрической и механической энергии как компонентах ЭМС;

создание комплексной имитационной модели функционирования ЭМС, допускающей изменение структуры, состава компонентов и моделируемых условий работы системы;

поиск условий и алгоритмов эффективного управления ЭМС электропривода в установившихся и переходных режимах работы;

реализация совокупности разработанных моделей в форме компонентов прикладного программного обеспечения для исследования ЭМС;

экспериментальная проверка найденных алгоритмов эффективного управления с применением автоматизированного лабораторного оборудования.

Методы исследования. Решение задач моделирования динамических процессов в электромеханических системах базируются на теории обобщенной электрической машины, а также на свойстве аналогии математического описания динамических процессов в подсистемах различной физической природы. При этом рассматриваются процессы в системах с сосредоточенными параметрами, а их модельное представление формируется в рамках теории электрических цепей. В качестве универсального средства моделирования применяется пакет программ анализа электрических и электронных

цепей РБрке. Разработка компонентов прикладного программного обеспечения проводилась с применением методов объектно-ориентированного программирования и соответствующих инструментальных программных средств.

Научная новизна работы заключается в следующем: обоснована структура и форма представления математических моделей компонентов электромеханических систем, предназначенных для поиска алгоритмов эффективного управления;

разработан комплекс имитационных моделей динамических режимов работы ЭМС, включающий модели электромеханических преобразователей, преобразователей электрический энергии в составе выпрямителя, конвертора, инвертора, фильтров, а также реальных механических связей между электрической машиной и исполнительными механизмами;

показаны возможность и целесообразность применения универсальных программных средств анализа электрических и электронных цепей для имитационного моделирования динамических процессов в сложных электромеханических системах с учетом взаимного влияния и изменения параметров компонентов в процессе функционирования системы;

разработаны и исследованы алгоритмы эффективного управления ЭМС в установившихся и переходных режимах работы.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанный комплекс компьютерных моделей компонентов ЭМС реализован на ЭВМ в виде универсального описания структуры системы и развитой библиотеки подмоделей, открытой для развития и совершенствования. Для облегчения создания модели ЭМС из подмоделей компонентов разработан специальный пользовательский интерфейс. Применение разработанных компьютерных моделей позволяет принимать обоснованные проектные решения с учетом динамических процессов, протекающих в ЭМС, нелинейных связей между элементами системы и нелинейных зависимостей их параметров и проводить поиск и исследование алгоритмов эффективного управления.

Диссертационная работа является частью комплекса научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой «Электротехнические комплексы автономных объектов» и направленных на развитие методов и средств автоматизации проектирования и исследования электромеханических систем различного назначения. Результаты работы нашли применение при создании аптомптишропшшого комплсксп, предназначенного для исследования электромеханических систем в режиме многопользовательского удаленного доступа, а также при создании программного обеспечения лабораторного практикума по учебной дисциплине «Компьютерное моделирование электромеханических систем».

Апробация работы. Результаты, полученные при выполнении диссертации, докладывались и получили одобрение научной общественности при

проведении Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, 1995 г.), научно-практического семинара «Вентильные электромеханические системы. Рынок. Наука. Производство» (Москва, 1996 г.), научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 1997 г.), научно-технической конференции «Электротехнические комплексы автономных объектов» (Москва, 1997 г.), III Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Клязьма, 1998), на заседании кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института. Результаты работы были отмечены первой премией в конкурсе МЭИ на лучшую разработку новых информационных технологий для учебного процесса за 1996 г., а также благодарностью Оргкомитета Международной выставки «Современная учебная техника» EDUCOM-97 (Санкт-Петербург, 1997 г.) и дипломом Международной выставки Обра-зование'98 (Москва, 1998 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в * пяти печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, 20 приложений и содержит 165 страниц основного текста, 9 таблиц и 33 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проанализировано состояние вопроса, обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы задачи и цели исследования, в виде краткой аннотации изложены основные положения диссертации.

В первой главе на основе анализа современных направлений развития ЭМС определены потребности и значение поиска эффективных алгоритмов управления, рассмотрены современные достижения в области управления и моделирования ЭМС и их компонентов, сформулированы нерешенные задачи, обоснован выбор электропривода переменного тока (и асинхронного частотно-регулируемого электропривода в частности) в качестве конкретного объекта исследований, определена цель и основные задачи работы.

Современное состояние теории и практики ЭМС подтверждает необходимость их развития в направлении оптимизации различных динамических, энергетических и других показателей, основываясь не только на параметрической оптимизации, но и но поиске эффективных алгоритмов управления, осуществление которых стало возможным благодаря современным достижениям микропроцессорной техники и силовой электроники.

В настоящее время глубоко проработанными являются вопросы математического моделирования электрических машин с позиций детального исследования их внутренних свойств. С другой стороны, методы исследований и поиска алгоритмов управления электроприводом, как характерным пред-

ставителем электромеханических систем, в основном базируются на теории автоматического регулирования и не учитывают в полной мере функциональных свойств электромеханических преобразователей. Наибольший эффект дает подход, в соответствии с которым производится учет системных свойств и взаимных влияний электрических и электромеханических преобразователей, а также других компонентов, входящих в состав ЭМС.

Частотно-регулируемый электропривод переменного тока является характерным представителем класса ЭМС, в полной мере обладающим всеми их особенностями. Наблюдаемый переход в различных областях применения на регулируемый электропривод и характерные особенности частотно-регулируемого электропривода ставят ряд проблем поиска эффективных алгоритмов управления в наиболее концентрированном виде. Поэтому частотно-регулируемый электропривод принят в качестве конкретного объекта, на примере которого будут рассмотрены проблемы поиска условий эффективного управления, в той или иной мере характерные для всего класса ЭМС.

Во второй главе обоснованы требования, предъявляемые к составу, свойствам и средствам разработки компьютерных моделей компонентов ')МС, ршч'мо-фснм особенности мптсмптичсского и компьютерного моделирования электромеханических преобразователей, преобразователей электрической энергии, механической и тепловой подсистем и других компонентов ЭМС.

При моделировании процессов различной физической природы принята единая методическая основа анализа и построения частных моделей компонентов, входящих в состав электромеханической системы, учитывающая формальную аналогию математического описания явлений, отличных по своей физической сущности. Используя аналогию с процессами в электрических системах (электроаналогию), в основу исследований всех рассматриваемых подсистем положены хорошо разработанные, удобные и наглядные методы анализа электротехнических задач — аппарат теории электрических цепей. Это позволило создать однотипный и универсальный инструмент исследования процессов различной физической природы, протекающих в электромеханической системе.

Основу математической модели ЭМС составляют модели электромеханических преобразователей энергии. В качестве базовой в данной работе принята модель ЭМП, записанная в фазной непреобразованной системе координат, учитывающая насыщение магнитной цепи по пути рабочего потока, позволяющая также учитывать и другие нелинейные зависимости параметров машины (вытеснение токов в обмотках, изменение сопротивления с ростом температуры и т.д.). Используемые допущения при моделировании электромеханического преобразователя (ЭМП): рабочее поле плоскопараллельно; зубчатый статор и ротор заменены гладкими; магнитное поле представлено состоящим из рабочего поля и полей рассеяния, причем маг-

нитные проводимости полей рассеяния приняты постоянными; проводники каждого из электрических контуров распределены вдоль воздушного зазора по гармоническому закону.

Подобная модель выбрана потому, что запись дифференциальных уравнений для напряжений обмоток электрической машины в фазной системе * координат обеспечивает ряд преимуществ при моделировании ЭМС. Прежде всего такая запись уравнений позволяет учесть все виды несимметрии параметров обмотки и питающего напряжения, осуществить расчёты электромагнитных и электромеханических процессов в статических и динамических режимах работы при питании от сети и источников с несинусоидальной формой напряжения, например от преобразователей частоты.

Для определения токов в переходных и установившихся режимах работы решается при заданных начальных условиях система дифференциальных уравнений для мгновенных фазных напряжений обмотки статора:

Мл = Ла/а + ^!Рл/Л, 1

«„ = /?»»„ + > (О

|/г - к, I, * (1Ч'{Ли, I

и мгновенных фазных напряжений обмотки ротора:

иа = Л, /. + (1Ч'М. 1

и,- Яь/ь+ ¿ВД, ? (1а)

ис = ЯД. + )

где щ, /; — мгновенные значения напряжений и токов в фазах обмоток (1 = А, В, С, а, Ь, с); Я, — активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора; — результирующие потокосцеплсния.

Рабочие потокосцепления фаз статора и ротора представляются как проекции изображающего вектора рабочего потокосцепления на оси фаз статора и ротора соответственно, полагая вектор у/„ параллельным изображающему вектору намагничивающего тока электрической машины, а модуль вектора ^ — зависящим от модуля вектора I согласно характеристике намагничивания главной магнитной цепи электрической машины: у^г^Д'!-

Введя в рассмотрение величины

. . !,й), I,.ЙЙ . ^(4).л . . Ц,,).

12 '// имеющие размерности индуктивности и определяемые по характеристикам намагничивания, выражения результирующих потокосцеплений можно представить в виде:

i2 j | \ ^

3'a-3^-3'rJ+4'з (4-oosr+4-omCr+P)+ic-<*x(r-P)l

ij 2 j Л 2

" з'" + з'я ~з'г J •«-(r+4

Vc =(A -у»■■+ vf-fc vx<r+p)+k <x*fj-p)+ic севу),

Ч>„ =( A +4 ~ 5'* +V 5' ((« ■ cosy+/я • соб(7-p)+ic • cos(r+p))( (2)

il 1 2 ^ 2 - +34J+^ • 3 •('> ^-p) Ч •oos0'+^)+'r ■ cosy)-

Экспериментальные зависимости y^yJ/J могут быть получены из опыта холостого хода по Т-образной схеме замещения асинхронного двигателя с известными и постоянными значениями индуктивности Ls и активного сопротивления Rs обмотки статора, либо получены расчетным путем. Например, экспериментальная кривая ¿„^/J асинхронного двигателя УАД-72 и аппроксимирующая ее функция приведены на рис.1. До значения «м = 0,28 А

считаем £ = const = 1,44 Гн. А при / > 0,28 А индуктивность вычисляется как

Уравнение электромагнитной подсистемы ЭМП дополнены системой уравнений движения применительно к двухмассовой схеме механической подсистемы ЭМС

Л2."

_I

I

М,- Mnx-cn-{yx~Yl) = Jx

(3)

где М~>— электромагнитный момент; Ми. Л/вг—внешние моменты нагрузки, приложенные к валу электродвигателя и к выходному валу соответственно; сп— жесткость механической передачи, уи — углы поворота концов вала со стороны двигателя и нагрузки; £2|, П2 — угловые скорости вращения концов вала; J^, Зг —моменты инерции вращающихся частей двигателя и нагрузки соответственно.

1,8 Гн 1,4 1.2

0,8 0,6 0.4 0,2 0

V

м

Рис. 1. Зависимость индуктивности от тока намагничивания.

0

2

А 3

Электромагнитный момент М-} вычисляется как модуль векторного произведения тока статора на рабочее потокосцепление

Полученная в итоге система уравнений (1-3, 5) содержит нелинейные уравнения, поэтому решение её возможно лишь численными методами. Ввиду сложности математического описания процессов в электромеханических объектах практически единственным доступным и экономически оправданным средством исследования сложных систем и их компонентов является математическое моделирование с применением средств вычислительной техники и универсальных программных пакетов, для которых характерна функциональная полнота, определяющая возможность всестороннего описания объекта и способность к имитации особенностей его поведения. Надежность универсальных пакетов связана с почти полным отсутствием в них безвыходных ситуаций благодаря наличию качественных решателей, имеющих возможность адаптироваться к решаемым задачам. Универсальные программные средства обладают широкими возможностями по математической обработке и графическому отображению результатов моделирования, сопряжению выходных данных с другими системами. В качестве средства для решения нелинейных дифференциальных уравнений (1-3, 5) в работе используется универсальная программа моделирования электрических и электронных цепей РБрке.

Для моделирования в среде программы РБр^е на основе метода электроаналогии для уравнений всех подсистем ЭМС составлены эквивалентные

(4)

где р0 — число пар полюсов. Или в более удобном виде:

- V-), + (V - + - й>'г) <5>

электрические схемы. Эквивалентная схема обмотки статора на основе уравнений (1) приведена на рис.2.

Для описания электрической схемы на входном языке РБр15е необходимо каждой точке соединения элементов присвоить имя, поэтому на рис.2 имена элементов и узлов приведены в виде, используемом при описании на входном языке РБрюе.

Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема обмотки статора.

900

I = А, В, С

Уравнению (3), представляющему модель двухмассовой механической подсистемы, согласно методу электроаналогии можно поставить в соответствие описание процессов в электрической цепи

¿и'

¡э Iн\ I ^

(6)

и соответствующие им электрические схемы (рис. 3), на которых обозначения элементов и имена узлов даны с учетом особенностей входного языка программы РБрке, а в скобках приведены эквивалентные обозначения механических переменных и параметров.

Принятые в данной работе модели механической нагрузки позволяют задавать разнообразные зависимости внешнего момента нагрузки и условия его включения. Ряд характеристик, полученных с помощью разработанных компьютерных моделей механической подсистемы, позволяющих исследовать механические переходные процессы в одно- и двухмассовых системах, абсолютно жестких и с конечной жесткостью вала, с учетом нелинейностей механических связей (люфты), представлен на рис. 4.

Таким образом, Благодаря применению универсального программного средства анализа электрических и электронных цепей, каким является программная система РБрюе, можно исключить трудоемкие и требующие высокой квалификации исследователя процедуры математического описания процессов в преобразователях электрической энергии, применяемых в составе ЭМС. При этом оказывается достаточным представить соответствующие эквивалентные схемы и управляемых источников, обеспечивающих форми-

рование требуемых алгоритмов управления амплитудой и частотой напряжения питания.

веш (Мэ) @

и_12п С|2(ФгФ:)

100 ((о,)

Сб (М|П)

Рис. 3. Двухмассовая схема механической части.

Рис.4. Зависимости электромагнитного момента (М-^), момента нафузки (Мп), угловой скорости ротора (П|) и нагрузки (С23) от времени

, Н-м

при жесткости механической связи С|2= 1----.

рад

Разработаны следующие компьютерные модели преобразователей электрической энергии, приспособленные для моделирования ЭМС:

• неуправляемый источник синусоидального напряжения;

• управляемые источники гармонического напряжения;

• неуправляемый трехфазный инвертор со 120- и 180-градусной коммутацией;

• управляемый трехфазный инвертор;

• однофазный мостовой выпрямитель;

• регулятор напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Для моделирования тепловых процессов, протекающих в ЭМС, используется метод эквивалентных тепловых схем, основанный на тепловой модели средних температур. В этом случае возможно оперировать со средними температурами выделенных тел, усредненными тепловыми связями между ними, а значения ДР( и С, представляют мощность тепловыделения и теплоемкость ¡-го тела. Разработанная компьютерная модель тепловых процессов, протекающих в электромеханическом преобразователе, позволяет, зная выделяемую мощность потерь, определить превышения температур интересующих элементов системы над температурой окружающей среды. Корректировка параметров эквивалентных схем электромеханического преобразователя особенно важна при исследовании алгоритмов управления, обеспечивающих минимальное время разгона двигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме, когда выделяемая энергия потерь максимально приближена к предельно допустимой и обмотки двигателя подвергаются большим термическим воздействиям.

Важными требованиями, предъявляемыми к моделям ЭМС, являются их трансформируемое™ и наращиваемость. Эти требования выполнены в представляемой работе благодаря модульному построению системы моделирования, при котором отдельные подсистемы, представленные в виде блоков, связываются только потоками входной и выходной информации (рис. 5).

Третья глава посвящена поиску алгоритмов эффективного управления ЭМС. В ней рассмотрены особенности формирования компьютерных моделей ЭМС, позволяющих исследовать алгоритмы управления в установившихся и переходных режимах работы. Полученные модели позволяют исследовать характеристики электропривода не только как электромеханического объекта, но н как системы автоматического регулирования. В частности, рассмотрен электропривод стабильной частоты вращения, для чего соответствующим образом видоизменяется модель системы, учитывающей регулирование угловой скорости вращения ротора по каналу частоты питания.

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

эмп

Источник синусоидального напряжения (иД=Уаг)

Выпрямитель с фильтром

Конвертер с ШИМ-регулированием

3-фатын управляемый мостовой инвертор

Вентильный двигатель

МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

< М___

НАГРУЗКА

Mh,Jh = const

MH,J„ = var

Изменение нагрузки при определенном значении угловой скорости (Q) или времени (t)

Электромеханическая нагрузка (ГПТ)

Одномассовая схема

Двухмассовая схема (с учетом люфта)

Асинхронная машина в 3-фазной пенреобра юнаиной системе координат (звезда / треугольник)

Синхронная машина с постоянными магнитами

Рис. 5. Структура и состав компьютерной модели ЭМС

а) 100 Вт

Р,

Г"

6) 100 УП" Di

тллгчг'

400 j 150-............

рад/с В : U, П

400:.....

рад/с: Q

200 ..................:.................г--------

"0 2 4 б 8 с о 1 2 3 4

Рис. 6. Осциллограммы потребляемой мощности Р, (Вт), напряжения питания U (В), угловой скорости поля статора о)] (рад/с) и угловой скорости ротора П (рад/с) асинхронного ЭП постоянной частоты вращения при работе с экстремальным регулятором (а) и без него (б) при переходе с одной частоты вращения на другую.

сл

400 рад/с

200

100 Вт

0 • 200 г

В I

1/"-v

^X-ZX

Рис. 7. Осциллограммы потребляемой мощности Р, (Вт), напряжения питания и (В), угловой скорости поля статора о)! (рад/с) и угловой скорости ротора П (рад/с) асинхронного ЭП постоянной частоты вращения при работе с экстремальным регулятором (а) и без него (б) при изменении момента нагрузки.

С помощью разработанной компьютерной модели электропривода получены зависимости потребляемой мощности от напряжения питания РЭл = А[и) при постоянных значениях угловой скорости, поддерживаемой регулятором частоты, и момента сопротивления, подтвердившие наличие минимума потребляемой мощности при некотором значении напряжения для данных значений момента нагрузки и угловой скорости ротора. Поскольку зависимость потребляемой мощности Рэл = П[и) электропривода носит экстремальный характер, то в качестве эффективного управления электроприводом в установившихся режимах работы предложен экстремальный регулятор потребляемой мощности шагового типа. При этом регулятор частоты вращения воздействует на канал частоты питания, а экстремальный регулятор потребляемой мощности — на канал напряжения. Измерители потребляемой мощности моделируются как дискретная система, усредняющая значение мгновенной мощности на каждом шаге измерения (рис. 6, 7).

При моделировании различных режимов работы электропривода стабильной частоты вращения на базе асинхронного двигателя УАД-72 ( напряжение питания 220 В, номинальная частота 50 Гц, число фаз 3, число пар полюсов 1, номинальный момент 0,25 Н*м) получены следующие результаты. При включенном экстремальном регуляторе потребляемой мощности в режиме поддержания заданной угловой скорости О = 230 рад/с потребляемая мощность составила 41 Вт, в то время как при выключенном — более 50 Вт. При переходе на угловую скорость вращения 270 рад/с потребляемая мощность в приводе без экстремального регулятора практически не изменилась, в то время как в приводе с экстремальным регулятором она составила 47 Вт, что несколько меньше, чем при питании номинальным напряжением. При переходе с одной частоты вращения на другую напряжение питания изменилось с 91 В до 104 В. Близость значений потребляемой мощности при работе с регулятором и без него объясняется тем, что момент нагрузки практически ^ соответствует номинальному значению, на который двигатель и был спроектирован.

При поддержании постоянной угловой скорости вращения 230 рад/с и при различных моментах нагрузки получены следующие результаты. На первом этапе привод работает с моментом нагрузки 0.1 Н*м. При этом потребляемая мощность составляла 20 Вт при работе с экстремальным регулятором и примерно 33 Вт — без него. При увеличении момента нагрузки до 0.2 Н*м потребляемая мощность составила соответственно 41 Вт и 50 Вт. Напряжение питания при работе экстремального регулятора изменилось с 87 до 91 В.

Полученные результаты показывают возможность использования комплекса компьютерных моделей компонентов ЭМС для исследования различных систем управления и регулирования, в том числе и систем эффективного управления электроприводом »установившихся режимах работы.

С целью снижения потерь энергии при пуске с постоянным ускорением был исследован соответствующий алгоритм управления напряжением и частотой. Зависимости амплитуды и частоты питающего напряжения от угловой скорости были найдены с помощью компьютерной модели электропривода постоянной частоты вращения с экстремальным регулятором потребляемой мощности путем фиксации различных значений угловой скорости ротора в диапазоне от нуля до номинальной угловой скорости.

Полученные алгоритмы управления были исследованы на динамической модели электромеханической системы и результаты сравнивались с аналогичными данными для прямого пуска при тех же условиях (рис. 8). Хотя время разгона и увеличено но сравнению с прямым пуском, но энергопотребление составляет 18 Дж , что в 1,5 раза меньше, чем при прямом пуске. При этом разгон проходит с постоянным ускорением.

2.« м,

Нм

а,

рад/с

Г& \ Прямой пуск 11

Рис. 8. Осциллограммы электромагнитного момента (Мэ), момента нагрузки (Мв) и угловой скорости (П) при прямом и частотном пуске.

Разработанный с применением средств объектно-ориентированного программирования LabWindows/CVI (С for Virtual Instrumentation) пользовательский интерфейс позволяет исследователю, детально незнакомому с программой моделирования PSpice, формировать структуру ЭМС (рис. 5) и включать в нее разнообразные компоненты из разработанной библиотеки моделей с необходимой настройкой их параметров

Четвертая глава посвящена применению разработанных компьютерных моделей ЭМС для поиска алгоритмов эффективного управления в различных

режимах работы и их экспериментальной проверке с помощью автоматизированного лабораторного стенда, разработанного на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов» МЭИ и предназначенного для проведения учебных и научных исследований ЭМС и их компонентов. Широкий спектр возможностей получения и обработки результатов моделирования и эксперимента обеспечивается применением универсальных программных средств. Благодаря наличию мощной системы программного формирования управляющих воздействий, обеспечивающих изменение напряжения и частоты питания и механической нагрузки электропривода в широких пределах, возможно физическое моделирование различных режимов работы. Аппарат математической обработки результатов эксперимента позволяет сравнивать экспериментальные и модельные данные и делать из этого соотпстстнующис выводы.

Результатами натурных исследований подтверждена адекватность разработанной компьютерной модели ЭМС, учитывающей динамические электромагнитные процессы, протекающие в электрическом и электромеханическом преобразователях, а также изменение внутренних параметров под воздействием эффекта насыщения стали. Осциллограммы токов, полученные при моделировании и натурном эксперименте, приведены на рис.9. При этом максимальное расхождение результатов эксперимента и моделирования составляет не более 10 %.

Рис. 9. Осциллограммы потребляемого тока в установившемся режиме.

Проведены экспериментальные исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС в установившихся режимах. При этом использовались полученные с помощью компьютерных моделей ЭП с экстремальным регулятором значения напряжения и частоты питания электродвигателя, при кото-

рых достигается минимальное значение потребляемой мощности при изменении внешних воздействий. Полученные результаты подтвердили правильность найденных алгоритмов и, соответственно, пригодность компьютерных моделей ЭМС для исследований условий эффективной работы ЭМС в установившихся режимах.

Также проводились исследования режимов пуска с минимальным временем разгона при ограничениях на напряжение питания и потребляемый ток и режима пуска с минимальным энергопотреблением при постоянном угловом ускорении и моменте сопротивления. Подтверждены экспериментальными результатами алгоритмы эффективного управления ЭМС в переходных режимах, полученные на основе компьютерных моделей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обзор работ, представляющих современные направления развития теории и практики ЭМС и конкретно состояние и проблемы создания и применения управляемых электроприводов переменного тока, свидетельствует о том, что в настоящее время при поиске условий и алгоритмов эффективного управления в недостаточно полной мере отражаются системные свойства ЭМС. Существует потребность в разработках математических моделей ЭМС, учитывающих динамические процессы и нелинейности внутренних параметров различных компонентов.

2. Разработаны математические и компьютерные модели ЭМП в фазной непреобразованной системе координат для расчета переходных процессов с учетом насыщения стали по пути главного магнитного потока, допускающие моделирование различных схем включения обмоток.

3. Созданы математические и компьютерные модели различных компонентов ЭМС, среди которых трехфазный мостовой инвертор, однофазный выпрями гель с входным фильтром, конвертор с 1ПИМ, источники гармонических сигналов, механическая передача с учетом конечной жесткости вала и люфта. Кроме того разработана модель для оценки теплового состояния компонентов ЭМС для учета изменения параметров при термических воздействиях.

4. Разработанные модели компонентой ЭМС объединены п структурную схему модульного тина, позволяющую изменять содержимое каждого модуля при обновлении состава библиотеки моделей. Подобная компоновка позволяет исследовать поколение ЭМС при различных схемах и алгоритмах питания и внешних возмущениях, полностью учитывая взаимное влияние элементов системы друг на друга.

5. Показаны широкие возможности использования универсальных программных средств применительно к имитационному моделированию различных режимов работы ЭМС.

6. На основе разработанных моделей осуществлена программная реализация.полсистемы моделирования ЭМС в рамках автоматизированного комплекса, предназначенного для исследования ЭМС.

. 7. Проведен поиск алгоритмов эффективного управления электроприводом в установившихся режимах работы. Предложенный алгоритм, основанный на использовании поискового метода и реализуемый с помощью экстремального регулятора потребляемой мощности, приводит к снижению потребляемой мощности в установившихся режимах работы до 1,5 раз в зависимости от режима работы.

8. Найдены и исследованы алгоритмы частотного разгона асинхронного двигателя, позволяющие сократить время разгона до 2 раз npii одновременном снижении энергопотребления, а также обеспечивающие снижение энергопотребления до 2-х раз по сравнению с прямым пуском при одновременном повышении качества механического переходного процесса.

9. Практическими исследованиями, проведенными на автоматизирован- \ ном стенде для исследования ЭМС, доказана работоспособность созданных компьютерных моделей применительно к задачам поиска и исследования алгоритмов эффективного управления в различных режимах работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

t

1. Маслов С.И., Маслова Т.Н., Колонтаев A.C., Ильин A.B. Имитационное моделирование динамических электромеханических систем // Международная конференция "Информационные средства и технологии: тезисы докладов. - Москва, 1995. — С. 126-127.

2. Арбузов Ю.В., Ильин A.B., Липай Б.Р. и др. Новые информационные технологии в исследовании и проектировании электромеханических систем // 6-й паучно-нрпктичсский семинар "Вентильные электромеханические системы ": доклады. - Москва, 1996. - С. 47-56.

3. Ильин A.B. Модель "преобразователь частоты - асинхронный двигатель" // Ежегодная Московская студенческая научно-техническая конференция "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве": тезисы докладов. - Москва, 1907. C.I 17-118.

4. Ильин A.B. Разработка и исследование компьютерных моделей электромеханических систем // Науч.-техн. конф. "Электротехнические комплексы автономных объектов": тезисы докл. - Москва, 1997. С.91-92.

5. Ильин A.B., Липай Ь.Р., Маслов (ЛИ. Имитационное моделирование и синтез параметров электромеханических систем как стохастических объектов// III Межд. конф. по электротехнике и элсктротехнологин: тезисы докл.-Клязьма, 1998.— С. 122-123.

j k'4- ЛУ,£/Г_Тираж /0о_Заказ кбЦ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

рых достигается минимальное значение потребляемой мощности при изменении внешних воздействий. Полученные результаты подтвердили правильность найденных алгоритмов и, соответственно, пригодность компьютерных моделей ЭМС для исследований условий эффективной работы ЭМС в установившихся режимах.

Также проводились исследования режимов пуска с минимальным временем разгона при ограничениях на напряжение питания и потребляемый ток и режима пуска с минимальным энергопотреблением при постоянном угловом ускорении и моменте сопротивления. Подтверждены экспериментальными результатами алгоритмы эффективного управления ЭМС в переходных режимах, полученные на основе компьютерных моделей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обзор работ, представляющих современные направления развития теории и практики ЭМС и конкретно состояние и проблемы создания и применения управляемых электроприводов переменного тока, свидетельствует о том, что в настоящее время при поиске условий и алгоритмов эффективного управления в недостаточно полной мере отражаются системные свойства ЭМС. Существует потребность в разработках математических моделей ЭМС, учитывающих динамические процессы и нелинейности внутренних параметров различных компонентов.

2. Разработаны математические и компьютерные модели ЭМП в фазной непреобразованной системе координат для расчета переходных процессов с учетом насыщения стали по пути главного магнитного потока, допускающие моделирование различных схем включения обмоток.

3. Созданы математические и компьютерные модели различных компонентов ЭМС, среди которых трехфазный мостовой инвертор, однофазный ш.шрямн гель с нходнмм фильтром, конвертор с 1ИИМ, источники гармонических сигналом, механическая передача с учетом конечной жесткости вала и люфта. Кроме того разработана модель для оценки теплового состояния компонентов ЭМС для учета изменения параметров при термических воздействиях.

4. Разработанные модели компонентов ЭМС объединены п структурную схему модульного тина, позиоляющую изменять содержимое каждого модуля при обновлении состава библиотеки моделей. Подобная компоновка позволяет исследовать поведение ЭМС при различных схемах и алгоритмах питания и внешних возмущениях, полностью учитывая взаимное влияние элементов системы друг на друга.

5. Показаны широкие возможности использования универсальных программных средств применительно к имитационному моделированию различных режимов работы ЭМС.

6. На основе разработанных моделей осуществлена программная реализация подсистемы моделирования ЭМС в рамках автоматизированного комплекса, предназначенного для исследования ЭМС.

7. Проведен поиск алгоритмов эффективного управления электроприводом в установившихся режимах работы. Предложенный алгоритм, основанный на использовании поискового метода и реализуемый с помощью экстремального регулятора потребляемой мощности, приводит к снижению потребляемой мощности в установившйхся режимах работы до 1,5 раз в зависимости от режима работы.

8. Найдены и исследованы алгоритмы частотного разгона асинхронного двигателя, позволяющие сократить время разгона до 2 раз при одновременном снижении энергопотребления, а также обеспечивающие снижение энергопотребления до 2-х раз но сравнению с прямым пуском при одновременном повышении качества механического переходного процесса.

9. Практическими исследованиями, проведенными на автоматизирован- \ ном стенде для исследования ЭМС, доказана работоспособность созданных компьютерных моделей применительно к задачам поиска и исследования алгоритмов эффективного управления в различных режимах работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

i

1. Маслов С.И., Маслова Т.Н., Колонтаев A.C., Ильин A.B. Имитационное моделирование динамических электромеханических систем // Международная конференция "Информационные средства и технологии: тезисы докладов.-Москва, 1995. —С. 126-127.

2. Арбузов Ю.В., Ильин A.B., Липай Б.Р. и др. Новые информационные технологии в исследовании и проектировании электромеханических систем // 6-й научно-практический семинар "Вентильные электромеханические системы ": доклады. - Москва, 1996. — С. 47-56.

3. Ильин A.B. Модель "преобразователь частоты - асинхронный двигатель" // Ежегодная Московская студенческая научно-техническая конференция "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве": тезисы докладов. - Москва, 1997. СМ 17-1 18.

4. Ильин A.B. Разработка и исследование компьютерных моделей электромеханических систем // Науч.-техн. конф. "Электротехнические комплексы автономных объектов": тезисы докл. •— Москва. 1997. С.91-Ч2.

5. Ильин A.B., Липай L>.P., Маслов С.И. Имитационное моделирование и синтез параметров электромеханических систем как стохастических объектов // III Межд. конф. по электротехнике и электротсхнологин: тезисы докл. Клязьма, 1998,—С. 122-123.

Иеч- 4,2h_Тираж/Ос_Заказ 4¿-',2

Типография .МЭИ, Красноказарменная, 13.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1. Направления развития теории и практики электромеханических систем

1.2. Состояние и проблемы создания и применения управляемых электроприводов переменного тока.

1.3. Конкретизация объекта, цели и задач работы.

Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ И КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

2.1. Обоснование требований к составу, свойствам и средствам разработки моделей.

2.2. Математические и компьютерные модели электромеханических преобразователей.

2.3. Математические и компьютерные модели преобразователей электрической энергии.

2.4. Математические и компьютерные модели механической подсистемы ЭМС.

2.5. Модели для оценки теплового состояния компонентов ЭМС.

Выводы.

3. МОДЕЛИ ПОИСКА АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

3.1. Математическая формулировка задач эффективного управления

3.2. Поиск эффективного управления электроприводом в установившихся режимах работы.

3.3. Поиск условий эффективного управления электроприводом в переходных режимах.

3.4. Система прикладных программ исследования ЭМС.

Выводы.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ

АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭМС.12"

4.1. Описание автоматизированного стенда для исследования ЭМС

4.2. Программа и анализ результатов исследования алгоритмов управления электроприводом в статических режимах.

4.3. Программа и анализ результатов исследования алгоритмов управления электроприводом в переходных режимах.

Выводы.

Актуальность работы. Многообразие функциональных задач, решаемых электромеханическими устройствами в составе различных технических систем и комплексов, повышение требований к их технико-экономическим и функциональным показателям приводит к необходимости создания сложных электромеханических систем (ЭМС). Увеличение количества и усложнение взаимосвязей компонентов служит источником значительных сложностей, возникающих при разработках и обеспечении требуемого качества функционирования ЭМС. В данной ситуации натурные исследования по ряду причин оказываются неэффективными. Поэтому основным современным средством исследования ЭМС становится компьютерное моделирование, опирающееся на достижения теории моделирования сложных систем и возможности вычислительной техники.

Задачи поиска эффективных проектных решений занимают одно из центральных мест при разработке ЭМС и их компонентов. При этом возрастает роль методов и средств управления и оценки реакции систем на управляющие воздействия. Кроме того, существенное место в современных разработках и исследованиях занимают вопросы эксплуатации уже существующих электромеханических устройств и систем, решение которых может обеспечить наиболее эффективные режимы их работы. И в том и другом случае качество принимаемых решений в значительной мере зависит от точности и достоверности моделей, используемых в процессе принятия проектных решений. Причем, по мере совершенствования методов и средств проектирования и управления все более высокие требования предъявляются и к модельным представлениям разрабатываемых систем. При этом важным шагом в повышении адекватности моделей реальным объектам является переход к моделированию динамических процессов с учетом нелинейности внутренних связей компонентов системы.

Значительный вклад в становление и развитие методов и средств математического моделирования электромеханических преобразователей внесли отечественные ученые-электромеханики А. В. Иванов-Смоленский, И. П. Копылов,

В. А. Кузнецов, И. Н. Орлов, Р. В. Фильц и многие другие. В их работах были сформированы теоретические основы создания и практического использования математических моделей динамических процессов в решении задач анализа рабочих показателей электромеханических преобразователей.

Существенно в меньшей мере проработаны в электромеханике вопросы поиска и исследования алгоритмов эффективного управления с учетом адекватного моделирования основных компонентов сложных ЭМС, в состав которых кроме основного системообразующего компонента могут включаться разнообразные преобразователи электрической, механической и других видов энергии, устройства контроля, управления, защиты и пр. В опубликованных работах, в основном ориентированных на применение упрощенных моделей, как правило, не находят отражения взаимосвязи электромеханического преобразователя с другими элементами системы и не в полной мере отражаются как внутренние связи, характеризующие функциональные свойства компонентов ЭМС, так и существенные связи между этими компонентами.

В то же время представляется целесообразным на различных стадиях проектирования или поиска эффективных управляющих воздействий использовать модели различной степени сложности и адекватности, что подталкивает к необходимости создания целой совокупности моделей ЭМС различной степени детализации.

Таким образом, развитие методов и средств моделирования ЭМС с целью поиска и исследования алгоритмов их эффективного управления остается актуальной задачей и служит важным резервом совершенствования теории и практики применения электромеханических объектов.

Целью работы является создание совокупности математических и компьютерных моделей динамических процессов, определяющих уровень функциональных показателей электромеханических систем, а также применение этих моделей для поиска и исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС.

Достижение поставленной цели предполагает конкретизацию и решение следующих основных задач: определение состава, свойств и средств разработки моделей электромеханических систем с учетом динамических процессов; разработка компьютерных моделей динамических процессов в электромеханических преобразователях, преобразователях электрической и механической энергии как компонентах ЭМС; создание комплексной имитационной модели функционирования ЭМС, допускающей изменение структуры, состава компонентов и моделируемых условий работы системы; поиск условий и алгоритмов эффективного управления ЭМС электропривода в установившихся и переходных режимах работы; реализация совокупности разработанных моделей в форме компонентов прикладного программного обеспечения для исследования ЭМС; экспериментальная проверка найденных алгоритмов эффективного управления с применением автоматизированного лабораторного оборудования.

В первом разделе работы на основе анализа современных направлений развития теории и практики ЭМС определяются потребности и значение поиска эффективных алгоритмов управления ЭМС, рассматривается современные достижения в области управления и моделирования ЭМС и их компонентов, формулируются нерешенные проблемы, обосновывается выбор асинхронного частотно-регулируемого электропривода в качестве конкретного объекта исследований, определяется цель и основные задачи работы.

Во втором разделе приводится обоснование требований, предъявляемых к составу, свойствам и средствам разработки компьютерных моделей компонентов ЭМС. Далее рассматриваются особенности математического и компьютерного моделирования электромеханических преобразователей, преобразователей электрической энергии, механической и тепловой подсистем и других компонентов ЭМС.

Третий раздел посвящен поиску алгоритмов эффективного управления ЭМС. Здесь рассматриваются особенности формирования компьютерных моделей ЭМС, позволяющих исследовать алгоритмы управления в установившихся и переходных режимах работы. Приводятся примеры нахождения условий эффективного управления в установившихся режимах работы при изменении внешних воздействий и в переходных режимах при заданных ограничениях.

Последний раздел посвящен применению разработанного набора компьютерных моделей ЭМС для поиска алгоритмов эффективного управления в различных режимах работы и их экспериментальному подтверждению с целью доказательства пригодности разработанных моделей ЭМС для данной сферы исследовательской деятельности.

Методы исследования. Решение задач моделирования динамических процессов в электромеханических системах базируются на теории обобщенной электрической машины, а также на свойстве аналогии математического описания динамических процессов в подсистемах различной физической природы. При этом рассматриваются процессы в системах с сосредоточенными параметрами, а их модельное представление формируется в рамках теории электрических цепей. В качестве универсального средства моделирования применяется пакет программ анализа электрических и электронных цепей PSpice. Разработка компонентов прикладного программного обеспечения проводилась с применением методов объектно-ориентированного программирования и соответствующих инструментальных программных средств.

Научная новизна работы заключается в следующем: обоснована структура и форма представления математических моделей компонентов электромеханических систем, предназначенных для поиска алгоритмов эффективного управления; разработан комплекс имитационных моделей динамических режимов работы ЭМС, включающий модели электромеханических преобразователей, преобразователей электрический энергии в составе выпрямителя, конвертора, инвертора, фильтров, а также реальных механических связей между электрической машиной и исполнительными механизмами; показаны возможность и целесообразность применения универсальных программных средств анализа электрических и электронных цепей для имитационного моделирования динамических процессов в сложных электромеханических системах с учетом взаимного влияния и изменения параметров компонентов в процессе функционирования системы; разработаны и исследованы алгоритмы эффективного управления ЭМС в установившихся и переходных режимах работы.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанный комплекс компьютерных моделей компонентов ЭМС реализован на ЭВМ с помощью программы анализа электрических и электронных цепей PSpice в виде универсального описания структуры системы и развитой библиотеки подмоделей, открытой для развития и совершенствования. Для облегчения создания модели ЭМС из моделей компонентов разработан специальный пользовательский интерфейс. Применение разработанных компьютерных моделей позволяет принимать обоснованные проектные и исследовательские решения с учетом динамических процессов, протекающих в ЭМС, нелинейных связей между элементами системы и нелинейных зависимостей их параметров и проводить поиск и исследование алгоритмов эффективного управления.

Диссертационная работа является частью комплекса научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой «Электротехнические комплексы автономных объектов» и направленных на развитие методов и средств автоматизации проектирования и исследования электромеханических систем различного назначения. Результаты работы нашли применение при создании автоматизированного комплекса, предназначенного для исследования электромеханических систем в режиме многопользовательского удаленного доступа, а также при создании программного обеспечения лабораторного практикума по учебной дисциплине «Компьютерное моделирование электромеханических систем».

Апробация работы. Результаты, полученные при выполнении диссертации, докладывались и получили одобрение научной общественности при проведении Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, октябрь 1995 г.), научно-практического семинара «Вентильные электромеханические системы. Рынок. Наука. Производство» (Москва, сентябрь 1996 г.), научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, февраль 1997 г.), научно-технической конференции «Электротехнические комплексы автономных объектов» (Москва, октябрь 1997 г.), III Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Клязьма, 1998), на заседании кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института. Результаты работы были отмечены первой премией в конкурсе МЭИ на лучшую разработку новых информационных технологий для учебного процесса за 1996 г., а также благодарностью Оргкомитета Международной выставки «Современная учебная техника» EDUCOM-97 (Санкт-Петербург, ноябрь 1997 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в пяти печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, 16 приложений и содержит 157 страниц основного текста, 10 таблиц и 36 рисунков.

1. Экспериментальные исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС проводились на базе автоматизированного исследовательского комплекса в составе совокупности программных и аппаратных средств, позволяющих осуще ствлять натурные и модельные исследования различных режимов работы ЭМС. Широкий спектр возможностей получения и обработки результатов моделирова ния и эксперимента обеспечивается применением универсальных профаммных средств.2. Результатами натурных исследований подтверждена адекватность разра ботанной компьютерной модели ЭМС, учитывающей динамические электромаг нитные процессы, протекающие в электрическом и электромеханическом преоб разователях , а также изменение внутренних параметров под воздействием эф фекта насыщения стали. При этом максимальное расхождение результатов экспе римента и моделирования составляет не более 10 %.3. Проведены экспериментальные исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС в установившихся режимах. При этом использовались получен ные с помощью компьютерных моделей ЭП с экстремальным регулятором значе ния напряжения и частоты питания электродвигателя, при которых достигается минимальное значение потребляемой мощности при изменении внешних воздей ствий. Полученные результаты подтвердили правильность найденных алгоритмов и, соответственно, пригодность компьютерных моделей ЭМС для исследований условий эффективной работы ЭМС в установившихся режимах. В результате ис следований были найдены такие режимы питания при различных значениях угло вой скорости ротора и момента нагрузки, для которых потребляемая мощность была снижена до 2 раз по сравнению с номинальным режимом питания.4. Подтверждены экспериментальными результатами алгоритмы эффектив ного управления ЭМС в переходных режимах, полученные на основе компьютер ных моделей. Исследовались режимы пуска с минимальным временем разгона при ограничениях напряжения питания и потребляемого тока и режим пуска с минимальным энергопотреблением при постоянном угловом ускорении и момен те сопротивления. Даже при весьма малых значениях максимально допустимого напряжения {U^ax = U„OM) И максимально допустимого тока (/„^ = ho.») время раз гона удалось сократить в 1,8 раз при одновременном снижении энергопотребле ния. Гораздо большего снижения энергопотребления можно добиться, осуществ ляя разгон электродвигателя с постоянным ускорением по алгоритму, получен ному с помощью компьютерной модели ЭМС, что подтверждает ее работоспо собность в данной области исследований.ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты выполненной работы состоят в следующем:

1. Обзор трудов, освещающих современные направления развития теории и практики ЭМС и конкретно состояние и проблемы создания и применения управ ляемых электроприводов переменного тока, свидетельствует о том, что в настоя щее время в недостаточно полной мере отражаются системные свойства ЭМС при поиске условий и алгоритмов эффективного управления. Существует потребность в математических моделях ЭМС, учитывающих динамические электромагнитные процессы и нелинейности внутренних параметров.2. Разработаны математические и компьютерные модели ЭМП в фазной не преобразованной системе координат для расчета переходных процессов с учетом насыщения стали по пути главного магнитного потока. Возможно моделирование различных схем включения обмоток ЭМП.

3. Разработаны математические и компьютерные модели различных компо нентов ЭМС, таких как; трехфазный мостовой инвертор со 180(120)-градусной коммутацией ключей, однофазный выпрямитель с входным фильтром, конвертор с ШИМ, источники идеального гармонического сигнала, механическая передача с учетом конечной жесткости вала и люфта. Кроме того разработана модель для оценки теплового состояния компонентов ЭМС с целью учета изменения пара метров под воздействием температурного нагрева.4. Разработанные модели компонентов ЭМС объединены в единую структур ную схему модульного типа, позволяющую без труда изменять содержимое каж дого модуля, постоянно обновляя библиотеку моделей. Подобная компоновка по зволяет исследовать поведение ЭМС при различных схемах и алгоритмах пита ния и внешних возмущениях, полностью учитывая взаимное влияние элементов системы друг на друга.5. Показаны широкие возможности использования универсальных программ ных средств применительно к моделированию ЭМС.

6. На основе разработанных моделей осуществлена программная реализация подсистемы моделирования ЭМС в рамках автоматизированного комплекса, предназначенного для исследования ЭМС.

7. Проведен поиск алгоритмов эффективного управления электроприводом в установившихся режимах работы. Предложенный алгоритм, основанный на ис пользовании поискового метода и осуществляемый посредством применения экс тремального регулятора потребляемой мощности приводит к снижению потреб ляемой мощности в установившихся режимах работы.8. Проведен поиск условий эффективного управления электроприводом в пе реходных режимах работы. Предложенные алгоритмы управления позволяют осуществить программный частотный разгон асинхронного двигателя. В резуль тате исследований были найдены алгоритмы управления, сокращающие время разгона до 2 раз при одновременном снижении энергопотребления, а также сни жающие энергопотребление в 2 раза по сравнению с прямым пуском при одно временном обеспечении качества механического переходного процесса.9. Практическими исследованиями, проведенными на автоматизированном стенде для исследования ЭМС, доказана работоспособность разработанных ком пьютерных моделей применительно к задачам поиска и исследования алгоритмов эффективного управления в различных режимах работы.Дальнейшее развитие работ по данной тематике целесообразно проводить в следующих направлениях:

1. Разработка математических моделей в реальном масштабе времени, предна значенных для использования в различных идентификационных схемах, системах с управлением по модели, наблюдателях и т.п.2. Учет специфики микропроцессорного управления, заключающейся в суще ствовании определенного времени запаздывания и дискретности обрабатываемых сигналов при моделировании алгоритмов управления ЭМС.

3. Дальнейшее расширение и пополнение набора математических и компью терных моделей компонентов ЭМС.

4. Комплексное применение в рамках систем автоматизированного проекти рования подсистемы оптимизации и разработанной подсистемы моделирования ЭМС, что позволит повысить уровень качества принимаемых проектных реше ний.5. Построение моделей управления ЭМС при широком изменении условий ее работы.

1. МОДЕЛИ ПОИСКА АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

2. Электромагнитная постоянная времени на несколько порядков меньше электромеханической, и поэтому в расчетах не учитывались переходные электромагнитные процессы.