авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Асинхронный электропривод электромеханических систем с оптимальными режимами работы по критерию энергосбережения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Макаров Валерий Геннадьевич

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

С ОПТИМАЛЬНЫМИ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ

ПО КРИТЕРИЮ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические

комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань – 2011

Работа выполнена на кафедре электропривода и электротехники ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Афанасьев Анатолий Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Онищенко Георгий Борисович

доктор технических наук, доцент

Дмитриев Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор

Федотов Александр Иванович

Ведущая организация: ЗАО «НИИтурбокомпрессор

им. В. Б. Шнеппа», г. Казань

Защита состоится « 16 » декабря 2011 г. в 14 час. 00 мин. на

заседании диссертационного совета Д 212.079.06 при Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева по адресу: г. Казань, ул. Толстого, 15 (3-е учебное здание), ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КГТУ им. А. Н. Туполева по адресу: г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10, КГТУ им. А. Н. Туполева, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.079.06.

Автореферат разослан « 22 » октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.079.06

к. т. н., доцент

А. В. Бердников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На современном этапе развития науки и техники системы электропривода прочно занимают лидирующее положение среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надежную работу технологических механизмов во многих отраслях промышленности и специальной техники.

В качестве приводного двигателя наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Современный асинхронный электропривод реализуется на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат привода в широком диапазоне, с высокой точностью и быстродействием. Однако даже в составе частотно-регулируемого электропривода не всегда обеспечиваются режимы работы с максимальными энергетическими показателями.



В настоящее время повышение энергоэффективности работы оборудования выдвигается на первый план развития национальной экономики. Затраты на мероприятия по экономии 1 кВт мощности обходятся в 4 – 5 раз дешевле стоимости вновь вводимого оборудования такой же мощности. Экономия 1 кВтчас при потреблении электрической энергии приводит к экономии 3 кВтчас первичной энергии природных ресурсов. Асинхронные двигатели преобразуют до 40 % вырабатываемой в РФ электроэнергии – около 400 ТВтчас в год. АД при полной загрузке в течение года преобразует объем электроэнергии, стоимость которой в 6 – 8 раз выше стоимости самого АД. Так при КПД асинхронного двигателя 90 % за год в нем выделяются потери энергии стоимостью до 60 – 80 % самого АД. Созданием, выпуском и внедрением АД с повышенным КПД классов EFF1, EFF2, EFF3, Premium занимаются ведущие фирмы развитых стран мира. Использование энергоэффективных АД и их эксплуатация с минимальным потреблением энергии позволит сэкономить в РФ до 6 ТВтчас в год или более 12 млрд. руб. Таким образом, повышение эффективности работы асинхронных электроприводов электромеханических систем и эксплуатация их в энергосберегающих режимах являются чрезвычайно актуальными.

В создание и развитие теории систем асинхронного электропривода значительный вклад внесли выдающиеся российские и зарубежные ученые – А. А. Булгаков, А. Ю. Афанасьев, И. Я. Браславский, В. Н. Бродовский, А. Б. Виноградов, Т. А. Глазенко, В. Л. Грузов, П. Е. Данилов, В. А. Дартау, Л. Х. Дацковский, З. Ш. Ишматов, В. Г. Каширских, А. Е. Козярук, В. И. Ключев, Г. Б. Онищенко, О. И. Осипов, Л. П. Петров, А. Д. Поздеев, В. Н. Поляков, В. В. Рудаков, Ю. А. Сабинин, А. С. Сандлер, Р. С. Сарбатов, А. С. Сарваров, О. В. Слежановский, М. М. Соколов, Г. Г. Соколовский, И. М. Столяров, А. А. Суптель, В. М. Терехов, В. Н. Хрисанов, В. А. Шубенко, Р. Т. Шрейнер, И. И. Эпштейн, G. M. Asher, F. Blaschke, W. Floter, J. Holtz, W. Leonard, T. A. Lipo, D. W. Novotny и многие другие.

Однако ряд проблем остается нерешенным.

Одной из задач теоретического исследования является повышение точности математического описания АД с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали. При построении математической модели АД с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали целесообразно использовать теорию обобщенной электрической машины (ОЭМ).

Широко распространено управление АД с напряжением питания, пропорциональным его частоте. Такое управление является малоэкономичным, поскольку не учитывается требуемый электромагнитный момент. При малом моменте поддерживать магнитный поток на уровне номинального нерационально.

Для построения высокоэффективных с точки зрения энергосбережения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов необходимо использовать теорию оптимального управления токами АД по критерию минимума мощности потерь или максимума КПД.

Для эффективного управления асинхронным двигателем, работающим в составе частотно-регулируемого электропривода, необходимо знать текущие значения его параметров – таких как активные сопротивления и индуктивности фаз обмоток статора и ротора, взаимная индуктивность, суммарный момент инерции подвижных частей и статический момент. Перечисленные параметры в процессе функционирования электропривода могут изменяться в силу многих причин, например, таких, как нагрев и охлаждение обмоток, изменение состояния магнитной цепи и др. Таким образом, для реализации более точных алгоритмов управления, обеспечивающих эффективное энерго- и ресурсосбережение, необходима оценка (идентификация) перечисленных параметров в режиме нормального функционирования электропривода.

Асинхронный электропривод с векторным управлением является наиболее совершенным, однако алгоритмы векторного управления в большинстве случаев не учитывают насыщение магнитопровода и не обеспечивают оптимальных режимов работы.

В связи с этим ставится цель и возникает актуальная проблема, решаемая в диссертации.

Работа выполнена в соответствии с государственной программой Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года»; Республиканской программой «Энергоресурсоэффективность в Республике Татарстан на 2006 – 2010 годы»; Республиканской программой «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Республике Татарстан на 2010 – 2015 годы и на перспективу до 2020 года»; направлением «Энергетика и энергосбережение», включенным в приоритетные направления развития науки, технологий и техники (Пр. № 842 от 21.05.2006 г.) и планом фундаментальных научных исследований ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет».

Цель работы – создание асинхронных электроприводов с повышенными энергетическими показателями путем оптимального управления токами двигателя по критерию энергосбережения при создании требуемого электромагнитного момента.

Проблема научного исследования. Разработка методологии синтеза и анализа энергосберегающих асинхронных электроприводов общепромышленного назначения, включающая теоретическое обобщение, разработку структур, алгоритмов управления, функциональных схем и расчетных соотношений.

Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ функциональных схем и характеристик существующих электроприводов на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, алгоритмов управления, современных методов синтеза и анализа, на основе которого сформулированы подлежащие решению задачи и намечены общие пути их решения.

2. Разработка гипотетической физической модели ОЭМ на основе трехфазного АД с сохранением основных параметров реальной машины.

3. Разработка математической модели АД с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали и компьютерное моделирование.

4. Разработка алгоритмов оптимального частотно-токового управления асинхронным электроприводом по критерию минимума мощности суммарных потерь в двигателе с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали, а также векторного управления с учетом насыщения магнитопровода.

5. Анализ системных свойств (управляемости, наблюдаемости и чувствительности) асинхронного электропривода.

6. Разработка алгоритмов и устройств идентификации параметров и процессов асинхронного электропривода в режиме нормального функционирования.

Методы исследований.

При решении поставленных задач использовались аналитические методы теории электромеханических систем, теории обобщенных электрических машин, линейной алгебры и дифференциальных уравнений, численные методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, математического программирования, квадратической интерполяции, градиентный метод поиска минимума функции, метод функций Ляпунова анализа устойчивости, компьютерное моделирование и экспериментальное исследование.

Достоверность полученных результатов обеспечена адекватностью и корректностью применения в работе теоретических положений и методов и подтверждается результатами сравнения компьютерного моделирования с экспериментальными данными.

Научная новизна.

В работе осуществлено теоретическое обобщение и решение научной проблемы создания методологии синтеза и анализа асинхронных электроприводов с оптимальным частотно-токовым управлением по критерию энергосбережения.

В процессе исследований получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Концепция построения асинхронного электропривода электромеханических систем с промежуточным сигналом, пропорциональным требуемому моменту, с использованием доступной информации о параметрах асинхронного двигателя и нагрузки. Сформулирован основной принцип оптимального частотно-токового управления асинхронным электроприводом электромеханических систем, заключающийся в получении требуемого момента по критерию энергосбережения.

2. Методика преобразования уравнений линейной математической модели трехфазного АД в фазных координатных осях к системе координат d, q, позволяющая создать гипотетическую физическую модель ОЭМ и допускающая применение традиционных методик проектирования.

3. Методика учета насыщения магнитопровода и потерь в стали в математической модели ОЭМ на основе трехфазного АД с помощью теории трансформатора и введением эквивалентных обмоток потерь в стали, позволяющая повысить точность расчетов при моделировании.

4. Методика решения задачи оптимального частотно-токового управления асинхронными электроприводами, позволяющая учесть насыщение магнитопровода и потери в стали, по критерию минимума мощности потерь в обмотках и сердечниках двигателя, а также методика векторного управления, позволяющая учесть насыщение магнитопровода. Проведен синтез систем частотно-токового управления с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали, а также векторного управления с учетом насыщения магнитопровода.





5. На основании анализа системных свойств разомкнутого асинхронного электропривода с силовым полупроводниковым преобразователем установлено, что данный электропривод обладает свойством полной управляемости; показано, что порядок управляемости дает качественную оценку динамики переменных состояния электропривода; существует возможность наблюдать токи короткозамкнутого ротора на основании измеряемых напряжений и токов фаз статора; получены уравнения функций чувствительности по параметрам электропривода, позволяющие оценить влияние отклонений параметров на процессы и характеристики асинхронного электропривода.

6. Методика идентификации параметров и процессов асинхронного электропривода с использованием непрерывного градиентного метода поиска минимума определенно положительных функций от невязок уравнений электропривода, обеспечивающая адаптацию управляющих устройств к изменяющимся условиям функционирования.

Практическая значимость работы.

1. Алгоритмы поиска оптимальных по критерию энергосбережения токов асинхронного двигателя, создающих требуемый электромагнитный момент.

2. Функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением, позволяющая осуществлять оптимальное управление токами по критерию минимума суммарной мощности потерь в обмотках и сердечниках двигателя для получения требуемого электромагнитного момента.

3. Функциональная схема асинхронного электропривода с устройством наблюдения токов короткозамкнутого ротора, применение которого позволяет осуществлять идентификацию параметров и реализовать эффективные алгоритмы частотного регулирования скорости, включая алгоритмы оптимального частотно-токового управления.

4. Алгоритмы и функциональные схемы устройств идентификации параметров и процессов асинхронного электропривода, осуществляющих идентификацию в режиме нормального функционирования.

5. Функциональная схема системы векторного управления асинхронным электроприводом с учетом насыщения магнитопровода двигателя.

6. Программы по моделированию процессов электромеханического преобразования энергии; оптимальному управлению токами; исследованию управляемости, наблюдаемости и чувствительности; идентификации параметров и процессов и векторному управлению асинхронным электроприводом с учетом насыщения магнитопровода двигателя.

Реализация результатов. Алгоритмы идентификации и оптимального частотно-токового управления внедрены в ГАУ «Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан» (г. Казань), алгоритмы оптимального частотно-токового управления – в ОАО «ТатНИИнефтемаш» (г. Казань) и ЗАО «Производственная компания «Завод транспортного электрооборудования» (г. Набережные Челны), алгоритмы и устройства идентификации – в ОАО «Нижнекамскшина» (г. Нижнекамск).

Технические решения защищены 1 патентом РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на IX и X Международных симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2008 г., 2009 г.), I и II Всероссийских научно-технических конференциях «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007 г., 2009 г.), IV Международной научно-практической конференции «Наука и практика: проблемы, идеи, инновации» (г. Чистополь, 2009 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI века» (г. Нижнекамск, 2009 г.), XXI и XXIII Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань, 2009 г, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), V Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (г. Пенза, 2009 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» (г. Москва, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2010 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы перехода к устойчивому развитию монопрофильных городов» (г. Нижнекамск, 2010 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» (г. Новокузнецк, 2010 г.), XL Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (г. Москва, 2010 г.).

Публикации по работе. Результаты работы опубликованы в 54 печатных работах. В том числе 1 монография, 18 статей в изданиях из перечня ВАК РФ, 13 статей в других изданиях, 21 доклад и тезис конференций, 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, одного приложения, списка использованных источников из 177 наименований. Объем работы – 411 с. машинописного текста, 26 таблиц, 188 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности проблемы, цель и задачи исследования, основные научные положения и результаты, выносимые на защиту, краткое изложение диссертации по главам.

В первой главе проведен анализ технического уровня, алгоритмов функционирования, структурных и функциональных схем асинхронных электроприводов, современных методов их синтеза и анализа, на основе которого сформулированы подлежащие решению задачи и намечены пути их решения.

На основании проведенного анализа составлена обобщенная структурная схема современного асинхронного электропривода электромеханических систем, приведенная на рис. 1.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.