Помощь студентам в учебе
Система энергосберегающего управления следящего вентильно-индукторного электропривода
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВИД .. 9
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В ВИД 19
3 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО
УПРАВЛЕНИЯ ССВИЭП 24
3.1 Формализация задачи построения структурной схемы системы
энергосберегающего управления 24
3.2 Решение задачи построения структурной схемы системы
энергосберегающего управления 30
3.3 Разработка структурной схемы редуцированного наблюдателя момента
сопротивления 38
4 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ССВИЭП С НАСЫЩЕННЫМ ВИД 45
4.1 Методика учёта насыщения магнитных характеристик ВИД 45
4.2 Моделирование процессов в ССВИЭП с учетом насыщения магнитных
характеристик в системе Altair Embed Basic 60
5 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ССВИЭП ... 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 81
ПРИЛОЖЕНИЕ А 91
ВВЕДЕНИЕ 5
1 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВИД .. 9
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В ВИД 19
3 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО
УПРАВЛЕНИЯ ССВИЭП 24
3.1 Формализация задачи построения структурной схемы системы
энергосберегающего управления 24
3.2 Решение задачи построения структурной схемы системы
энергосберегающего управления 30
3.3 Разработка структурной схемы редуцированного наблюдателя момента
сопротивления 38
4 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ССВИЭП С НАСЫЩЕННЫМ ВИД 45
4.1 Методика учёта насыщения магнитных характеристик ВИД 45
4.2 Моделирование процессов в ССВИЭП с учетом насыщения магнитных
характеристик в системе Altair Embed Basic 60
5 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ССВИЭП ... 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 81
ПРИЛОЖЕНИЕ А 91
В современных реалиях одним из самых приоритетных и передовых направлений развития науки и техники как в Российской Федерации, так и во всём мире является создание энергосберегающих технологий и оборудования, позволяющих оптимизировать технологические процессы и улучшить их показатели.
В целях реализации проектов по энергосбережению в Российской Федерации принят федеральный закон №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности». Настоящий Федеральный закон регулирует отношения по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. Целью настоящего Федерального закона является создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности [1].
ЮУрГУ активно занимается задачами энергоэффективности. Одним из примеров является серия серьезных работ совместно с Магнитогорским металлургическим комбинатом. Специалисты университета выполняют проекты, связанные с повышением энергетической эффективности крупных агрегатов на международном уровне.
Во многих технических систем используется электропривод (ЭП). ЭП является не только частью технических систем, но основным потребителем электроэнергии. По статистике, около 60% всей производимой в мире электроэнергии приходится на долю электроприводов. При работе ЭП в процессе преобразования электрической энергии в механическую (и наоборот) возникают потери энергии. Разработка высокопроизводительных и экономичных систем привода является значимым направлением развития современной техники в различных сферах, требующих применение технологических процессов. Решение данной проблемы требует повышать энергетическую эффективность электропривода [2 - 6].
Энергосбережение - реализация мер в организационных, правовых, технических, технологических, экономических отраслях, направленных на минимизацию объема используемых энергетических ресурсов при возможных улучшениях, а как минимум сохранения прежних показателей основного процесса, предполагающего тем или иным объектом, над которым проводится операция по энергосбережению [1, 7 - 9].
С каждым годом электроприводы находят применение в новых сферах. При этом создаются электроприводы с новыми типами электромеханических преобразователей, среди которых выделяют вентильно-индукторный (ВИЭП), именуемый в англоязычной литературе - Switched Reluctance Drive (SRD) [10 - 12].
Вентильно-индукторные электроприводы (ВИЭП), за основу в которых взят вентильно-индукторный двигатель, являются актуальным объектом изучения в связи с обширным кругом применения данного агрегата в промышленности. В отечественной и зарубежной литературе ВИД имеет и другие названия: электронно-коммутируемый двигатель, управляемый вентильный реактивный двигатель, двигатель с электромагнитной редукцией, коммутируемый реактивный двигатель с переменным магнитным сопротивление. Большое число названий обусловлено относительной новизной данной технологии в области электродвигателей. В дальнейшей работе будем использовать термин вентильно¬индукторный двигатель (ВИД), который вбирает в себя всю совокупность вышеперечисленных названий данной технологии [11, 13 - 20].
ВИЭП имеет ряд достоинств по сравнению с другими электроприводами. В особенности следует выделить относительно невысокую рыночную стоимость, простоту изготовления, относительно высокий КПД и высокую перегрузочную способность [6, 12, 19, 21 - 23].
Простота изготовления, невысокая рыночная стоимость, а также особенности принципа действия ВИЭП создают обширное поле для различного рода технологических и конструкторских решений . Именно поэтому отечественные и зарубежные специалисты считают применение автоматизированного ВИЭП достаточно эффективным решением в следующих отраслях промышленности: автомобилестроение, строительная техника,
металлургия [23 - 26].
Перспективность использования в практических целях ВИД появилась благодаря стремительным темпам роста технологий электронной промышленности, прогрессу в области компьютерной техники, электронных устройств и информационных технологий. В наше время ВИД является перспективным для систем электроприводов нового поколения. Позволяет реализовать сложные алгоритмы управления, применить их в создании систем автоматизации различных сфер промышленности [14, 26 - 28].
Проектированием, разработкой и внедрением ВИЭП в различные сферы производства занимаются различные иностранные и отечественные фирмы: «ИРИС» (г. Новочеркасск), RWTH Aachen; Oulton (UK); Emerson Electric; Nidec SR Drives Manufacturing Ltd. (NSRM); General Electric Co.; TRW; Weir Speciality Pumps Ltd.; «ЭМЕТРОН» (г. Новочеркасск) [4].
Как и для других типов электроприводов, повышение энергоэффективности является одним из актуальных направлений улучшения их характеристик. Изучение материалов по проектированию автоматизированных ВИЭП показало, что этот вопрос недостаточно проработан и является актуальным [2, 3, 23, 29].
Объект исследования выпускной квалификационной работы - автоматизированный ВИЭП с учетом эффекта насыщения магнитной системы ВИД.
Цель выпускной квалификационной работы - разработка системы энергосберегающего управления следящего скоростного ВИЭП.
Задачи выпускной квалификационной работы:
— построение в среде Altair Embed Basic имитационной математической модели четырехфазного вентильно-индукторного двигателя (ВИД) как объекта
управления c учётом насыщения его магнитной системы и произвольного сочетания полюсов статора и ротора;
— разработка структурной схемы системы энергосберегающего управления скоростью ВИД в составе ВИЭП, которая обеспечивает заданные значения ошибки по скорости и амплитуды пульсаций электромагнитного момента;
— разработка блока учета насыщения магнитных характеристик для заданной имитационной модели ВИД;
— проведение сравнительного анализа характеристик следящего скоростного ВИЭП, регулируемого с помощью разработанной системы энергосберегающего управления, с характеристиками одноконтурного следящего скоростного ВИЭП с ПИ-регулятором.
В целях реализации проектов по энергосбережению в Российской Федерации принят федеральный закон №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности». Настоящий Федеральный закон регулирует отношения по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. Целью настоящего Федерального закона является создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности [1].
ЮУрГУ активно занимается задачами энергоэффективности. Одним из примеров является серия серьезных работ совместно с Магнитогорским металлургическим комбинатом. Специалисты университета выполняют проекты, связанные с повышением энергетической эффективности крупных агрегатов на международном уровне.
Во многих технических систем используется электропривод (ЭП). ЭП является не только частью технических систем, но основным потребителем электроэнергии. По статистике, около 60% всей производимой в мире электроэнергии приходится на долю электроприводов. При работе ЭП в процессе преобразования электрической энергии в механическую (и наоборот) возникают потери энергии. Разработка высокопроизводительных и экономичных систем привода является значимым направлением развития современной техники в различных сферах, требующих применение технологических процессов. Решение данной проблемы требует повышать энергетическую эффективность электропривода [2 - 6].
Энергосбережение - реализация мер в организационных, правовых, технических, технологических, экономических отраслях, направленных на минимизацию объема используемых энергетических ресурсов при возможных улучшениях, а как минимум сохранения прежних показателей основного процесса, предполагающего тем или иным объектом, над которым проводится операция по энергосбережению [1, 7 - 9].
С каждым годом электроприводы находят применение в новых сферах. При этом создаются электроприводы с новыми типами электромеханических преобразователей, среди которых выделяют вентильно-индукторный (ВИЭП), именуемый в англоязычной литературе - Switched Reluctance Drive (SRD) [10 - 12].
Вентильно-индукторные электроприводы (ВИЭП), за основу в которых взят вентильно-индукторный двигатель, являются актуальным объектом изучения в связи с обширным кругом применения данного агрегата в промышленности. В отечественной и зарубежной литературе ВИД имеет и другие названия: электронно-коммутируемый двигатель, управляемый вентильный реактивный двигатель, двигатель с электромагнитной редукцией, коммутируемый реактивный двигатель с переменным магнитным сопротивление. Большое число названий обусловлено относительной новизной данной технологии в области электродвигателей. В дальнейшей работе будем использовать термин вентильно¬индукторный двигатель (ВИД), который вбирает в себя всю совокупность вышеперечисленных названий данной технологии [11, 13 - 20].
ВИЭП имеет ряд достоинств по сравнению с другими электроприводами. В особенности следует выделить относительно невысокую рыночную стоимость, простоту изготовления, относительно высокий КПД и высокую перегрузочную способность [6, 12, 19, 21 - 23].
Простота изготовления, невысокая рыночная стоимость, а также особенности принципа действия ВИЭП создают обширное поле для различного рода технологических и конструкторских решений . Именно поэтому отечественные и зарубежные специалисты считают применение автоматизированного ВИЭП достаточно эффективным решением в следующих отраслях промышленности: автомобилестроение, строительная техника,
металлургия [23 - 26].
Перспективность использования в практических целях ВИД появилась благодаря стремительным темпам роста технологий электронной промышленности, прогрессу в области компьютерной техники, электронных устройств и информационных технологий. В наше время ВИД является перспективным для систем электроприводов нового поколения. Позволяет реализовать сложные алгоритмы управления, применить их в создании систем автоматизации различных сфер промышленности [14, 26 - 28].
Проектированием, разработкой и внедрением ВИЭП в различные сферы производства занимаются различные иностранные и отечественные фирмы: «ИРИС» (г. Новочеркасск), RWTH Aachen; Oulton (UK); Emerson Electric; Nidec SR Drives Manufacturing Ltd. (NSRM); General Electric Co.; TRW; Weir Speciality Pumps Ltd.; «ЭМЕТРОН» (г. Новочеркасск) [4].
Как и для других типов электроприводов, повышение энергоэффективности является одним из актуальных направлений улучшения их характеристик. Изучение материалов по проектированию автоматизированных ВИЭП показало, что этот вопрос недостаточно проработан и является актуальным [2, 3, 23, 29].
Объект исследования выпускной квалификационной работы - автоматизированный ВИЭП с учетом эффекта насыщения магнитной системы ВИД.
Цель выпускной квалификационной работы - разработка системы энергосберегающего управления следящего скоростного ВИЭП.
Задачи выпускной квалификационной работы:
— построение в среде Altair Embed Basic имитационной математической модели четырехфазного вентильно-индукторного двигателя (ВИД) как объекта
управления c учётом насыщения его магнитной системы и произвольного сочетания полюсов статора и ротора;
— разработка структурной схемы системы энергосберегающего управления скоростью ВИД в составе ВИЭП, которая обеспечивает заданные значения ошибки по скорости и амплитуды пульсаций электромагнитного момента;
— разработка блока учета насыщения магнитных характеристик для заданной имитационной модели ВИД;
— проведение сравнительного анализа характеристик следящего скоростного ВИЭП, регулируемого с помощью разработанной системы энергосберегающего управления, с характеристиками одноконтурного следящего скоростного ВИЭП с ПИ-регулятором.
В результате проделанной работы были получены следующие результаты.
Разработана методика построения структурных схем систем энергосберегающего управления ССВИЭП, имеющих высокие динамические показатели при относительно небольшом уровне пульсаций электромагнитных моментов. Показано, что разработанные системы энергосберегающего управления должны содержать наблюдатели момента сопротивления. В записке разработана структурная схема указанных наблюдателей.
Для оценки эффективности разработанной методики проведён сравнительный анализ характеристик энергосберегающего ССВИЭП и типового одноконтурного ССВИЭП с ПИ-регулятором, которые построены на основе одинаковых ВИД конфигурации 8/6 номинальной мощностью 30 кВт. Показано, что энергосберегающий ССВИЭП при одинаковой ошибке регулирования скорости обеспечивает:
— снижение электрических потерь на 29 %, что составляет 6.2 % от номинальной мощности этих приводов;
— снижение амплитуды пульсаций фазных токов в 1.6 раза;
— снижение амплитуды пульсаций момента 1.9 раза.
Сравнительный анализ проведен с использованием имитационной модели ССВИЭП, построенной в среде Altair Embed Basic и полученной из известной имитационной модели ССВИЭП путем её модернизации.
Модернизация, проведенная в работе, заключалась в учете явления насыщения ВИД, которое для данного типа двигателей возникает в рабочих режимах и которое необходимо учитывать для повышения адекватности моделирования. Для заданной имитационной модели ВИД разработан блок учета насыщения магнитных. Учёт насыщения основан на аппроксимации магнитных характеристик ВИД, а также на аппроксимации частной производной потокосцепления от тока.
Таким образом, цель работы достигнута, все поставленные задачи решены.
Выполненная работа имеет практическую ценность и может быть использована при разработке систем энергосберегающего управления ССВИЭП.
Разработана методика построения структурных схем систем энергосберегающего управления ССВИЭП, имеющих высокие динамические показатели при относительно небольшом уровне пульсаций электромагнитных моментов. Показано, что разработанные системы энергосберегающего управления должны содержать наблюдатели момента сопротивления. В записке разработана структурная схема указанных наблюдателей.
Для оценки эффективности разработанной методики проведён сравнительный анализ характеристик энергосберегающего ССВИЭП и типового одноконтурного ССВИЭП с ПИ-регулятором, которые построены на основе одинаковых ВИД конфигурации 8/6 номинальной мощностью 30 кВт. Показано, что энергосберегающий ССВИЭП при одинаковой ошибке регулирования скорости обеспечивает:
— снижение электрических потерь на 29 %, что составляет 6.2 % от номинальной мощности этих приводов;
— снижение амплитуды пульсаций фазных токов в 1.6 раза;
— снижение амплитуды пульсаций момента 1.9 раза.
Сравнительный анализ проведен с использованием имитационной модели ССВИЭП, построенной в среде Altair Embed Basic и полученной из известной имитационной модели ССВИЭП путем её модернизации.
Модернизация, проведенная в работе, заключалась в учете явления насыщения ВИД, которое для данного типа двигателей возникает в рабочих режимах и которое необходимо учитывать для повышения адекватности моделирования. Для заданной имитационной модели ВИД разработан блок учета насыщения магнитных. Учёт насыщения основан на аппроксимации магнитных характеристик ВИД, а также на аппроксимации частной производной потокосцепления от тока.
Таким образом, цель работы достигнута, все поставленные задачи решены.
Выполненная работа имеет практическую ценность и может быть использована при разработке систем энергосберегающего управления ССВИЭП.
