Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных тенденций автоматизации процессов электромеханического преобразования энергии в устройстве плавного пуска электропривода насосной станции системы водоснабжения 16
1.1. Типовая структура системы водоснабжения 16
1.2. АСУ плавным пуском электропривода насосной станции системы водоснабжения 20
1.2.1. Функции и структура 20
1.2.2. Формирование траекторий управления пуско-тормозными режимами 28
1.2.3. Анализ основных показателей переходных процессов пуска АД 32
1.3. Структура математической модели АСУ плавным пуском АД
насосной станции 36
Результаты и выводы по главе 39
Глава 2. Построение математической модели процесса преобразования энергии в АСУ плавным пуском АД насосной станции : 41
2.1. Модель системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения асинхронного двигателя 41
2.1.1. Структурная схема ТПН-АД. Моделирование несимметричных режимов подключения АД к сети питания 41
2.1.2. Разработка численного алгоритма моделирования системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения, снижающего затраты машинного времени 48
2.1.3. Система импульсно-фазового управления ТПН-АД с двумя типами синхронизации 58
2.1.4. Исследование показателей качества стационарных и переходных режимов системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения с двумя типами синхронизации 67
2.2. Математическая модель трансформаторной подстанции 75
2.3. Упрощенная тепловая модель АД 79
2.4. Математическая модель насосной нагрузки 83
2.5. Модель неустановившегося движения жидкости 87
2.5.1. Построение модели неустановившегося движения жидкости в трубопроводе произвольной конфигурации 87
2.5.2. Интегрирование уравнений неустановившегося движения жидкости методом характеристик 92
Результаты и выводы по главе 95
Глава 3. Постановка и проведение физического и численного экспериментальных исследований процесса преобразования энергии в АСУ плавным пуском АД насосной станции 99
3.1. Постановка и проведение экспериментального исследования УПП АД на базе ТПН с СИФУ, синхронизированной по напряжению сети 99
3.1.1. Постановка экспериментального исследования 99
3.1.2. Экспериментальное исследование пуска АД с УПП. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования 104
3.2. Проведение численного эксперимента с моделями компонентов АСУППАД 108
3.2.1. Энергетическая подсистема АСУПП АД 108
3.2.2. Гидравлическая подсистема АСУПП АД 114
3.2.3. Моделирование нестационарного нагрева обмоток АД 125
Результаты и выводы по главе 129
Глава 4. Разработка адаптивного алгоритма управления плавным пуском асинхронных двигателей насосной станции. Постановка и проведение численного эксперимента 133
4.1. Разработка адаптивного алгоритма управления плавным пуском АД насосной станции 133
4.2. Разработка программного обеспечения системы управления и мониторинга АСУПП АД. Постановка и проведение численного эксперимента 140
Результаты и выводы по главе 150
Заключение 152
Список литературы
- Типовая структура системы водоснабжения
- Модель системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения асинхронного двигателя
- Постановка и проведение экспериментального исследования УПП АД на базе ТПН с СИФУ, синхронизированной по напряжению сети
- Разработка адаптивного алгоритма управления плавным пуском АД насосной станции
Введение к работе
В настоящее время автоматизация технологических процессов электромеханического преобразования энергии продолжает развиваться по трем основным направлениям: повышение надежности, энергоэффективности и экономичности [1, 3, 14, 73, 100, 102]. Эта тенденция принимает особое значение в тех сферах промышленности и народного хозяйства, в которых основу технологических процессов составляет асинхронный электропривод (АЭП) исполнительных механизмов. Ярким примером в данном случае служит АЭП турбоме-ханизмов (вентиляторы, компрессоры, насосы и др.), который по различным оценкам потребляет до 25% всей вырабатываемой электроэнергии [14, 142].
В части энергии, потребляемой турбомеханизмами, наибольшая доля принадлежит центробежным насосам, применяющимся в основном для транспортирования жидкостей в системах водоснабжения, водоотведения и магистральных трубопроводах. Это обстоятельство на фоне стремительного повышения тарифов на электроэнергию придает особую актуальность проблеме автоматизации и энергосбережения в системе коммунального и промышленного водоснабжения.
Решение задачи автоматизации насосных станций (НС) системы водоснабжения в первую очередь связано с выбором и применением такого типа АЭП, который позволит удовлетворить требования технологического процесса к надежности, энергоэффективности и экономичности. Благодаря высокой надежности, удовлетворительным стоимостным, массогабаритным и регулировочным показателям широкое распространение для автоматизации НС получил асинхронный электропривод без обратной связи по скорости с системой им-пульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения (СИФУ-ТГШ) [12,21, 37, 38, 90].
Основы теории АЭП с СИФУ-ТПН были заложены в конце 60-х, начале 70-х годов XX века. В настоящее время развитие этого направление продолжается рядом отечественных и зарубежных научных школ: И.Я. Браславский, A.M. Зюзев, А.В. Костылев и др. (Уральский ГТУ); А.К. Загорский, В.И. Радин и др. (АО ВНИИЭ); В.И. Хрисанов (СПБ ГУ телекоммуникаций), Р. Бржезин-ский (Технический университет г. Зелона Гура (Польша)); О.А. Андрющенко, А.А. Бойко и др. (Одесский Национальный политехнический университет); N.A. Demerdash, В. Mirafzal, M.G. Solveson (Университет Маркетта, Милуоки, шт. Висконсин); Gurkan Zenginobuz, Isik Cadirci, и др. (Средневосточный технический университет г. Анкары (Турция)); Ю.В. Колоколов, С.Л. Косчинский и др. (Орловский государственный технический университет совместно с ЗАО «Электротекс» г. Орел).
Главное назначение АЭП насосного агрегата заключается в том, что бы сформировать такую траекторию пуска (останова) двигателя насоса от начальной (номинальной) скорости до номинальной (начальной), которая, с одной стороны, обеспечит ограничение температуры статорных обмоток, а также бросков тока в статорных обмотках и знакопеременных колебаний электромагнитного момента двигателя, с другой стороны, ограничит прирост давления в трубопроводе до допустимого значения. Сущность указанной выше задачи привела к тому, что АЭП, обеспечивающий ее решение, получил название устройства плавного пуска (УПП).
Современный уровень разработки УПП характеризуется унификацией их силовой части. В этой связи, повышение эффективности процессов преобразования электромеханической энергии в УПП в большей степени связано с усовершенствованием алгоритмов формирования пуско-тормозных траекторий асинхронных двигателей (АД).
В значительной части публикаций, посвященных разработке новых алгоритмов плавного пуска АД, основное внимание уделяется вопросам ограниче-
ния свободных составляющих токов статорных обмоток и электромагнитного момента на валу АД в переходных режимах. Однако проблема взаимосвязи энергоэффективности управления плавным пуском АД и вводимых при этом ограничений фактически не рассматривается. Это обстоятельство затрудняет разработку новых энергоэффективных алгоритмов управления плавным пуском АД, что обуславливает актуальность и практическую значимость диссертационной работы.
Объект исследования: процесс электромеханического преобразования энергии в устройстве плавного пуска асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения.
Предмет исследования: процесс управления преобразованием энергии в устройстве плавного пуска, построенном на базе разомкнутой по скорости существенно-нелинейной системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения асинхронного двигателя.
Цель диссертационной работы: сокращение потерь электрической энергии в обмотках асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения при управляемом формировании пуско-тормозных траекторий. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
сформулировать ограничения и определить критерий эффективности процессов электромеханического преобразования энергии в устройстве плавного пуска АД насосной станции;
разработать математическую модель и методику моделирования процесса преобразования электромеханической энергии в устройстве плавного пуска асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения;
разработать алгоритм управления плавным пуском асинхронных двигателей, позволяющий сократить потери электрической энергии в их обмотках при удовлетворении ограничений, накладываемых на показатели переход-
ных процессов преобразования электромеханической энергии в АЭП насосной станции системы водоснабжения;
- провести экспериментальное исследование адекватности математической
модели системы «электрическая сеть - УПП - АД - насос - трубопровод».
На основании указанной цели и перечисленных задач содержание диссертационной работы разбито на четыре главы. В первой главе:
описана типовая структура, цель и функции АСУ системы водоснабжения в целом и подсистемы АСУ электропривода - АСУ плавным пуском насосных агрегатов, в частности;
проведен анализ состава и обоснование выбора составляющих структуры автоматизированной системы управления плавным пуском (АСУПП) АД;
дано определение эффективности целевого функционирования АСУПП АД, перечислены ограничения, накладываемые на процесс формирования пуско-тормозных траекторий асинхронных двигателей;
проведен анализ алгоритмов управления плавным пуском асинхронных двигателей;
выявлена взаимосвязь показателей переходных процессов в УПП-АД с энергетическими потерями;
приведена структура математической модели АСУПП АД; сформулированы требования к ее составляющим;
в итоге сформулирована постановка цели и задач исследования подходов к снижению энергетических потерь в обмотках АД при управляемом формировании пуско-тормозных траекторий насосных агрегатов.
Во второй главе:
предложен подход к описанию несимметричного подключения АД к сети переменного тока;
разработан численный алгоритм для сокращения затрат машинного времени при интегрировании модели СИФУ-ТПН-АД в переходных режимах;
проведен анализ технико-экономических показателей и показателей качества статических и динамических режимов СИФУ-ТПН-АД с двумя типами синхронизации: по напряжению сети и току нагрузки;
приведена модель трансформаторной подстанции с нагрузкой в виде асинхронных двигателей, функционирующих в номинальном режиме;
приведена упрощенная тепловая математическая модель асинхронного двигателя;
описано получение математической модели насосной нагрузки для переходных и установившихся режимов;
описано получение математической модели неустановившегося движения жидкости в трубопроводе произвольной конфигурации; рассмотрен метод интегрирования такой модели.
Третья глава посвящена постановке и проведению экспериментального исследования составляющих математической модели АСУПП АД насосной станции с целью проверки адекватности разработанных математических моделей. В третьей главе:
осуществлена постановка и проведение физического и численного экспериментальных исследований пуска АД с УПП на экспериментальной установке, смонтированной в проблемной лаборатории динамики импульсных систем преобразования энергии кафедры «ПТЭиВС» ОрелГТУ;
проведено численное моделирование нестационарного нагрева обмоток АД, функционирования энергетической и гидравлической подсистем АСУПП АД насосной станции системы водоснабжения;
проведено обоснование выбора среды программирования для реализации математической модели и алгоритма управления АСУПП.
В четвертой главе:
- разработан адаптивный алгоритм плавного пуска асинхронных двигателей
насосных агрегатов;
разработано программное обеспечение системы управления и мониторинга АСУППАД;
проведено численное экспериментальное исследование переходных процессов пуска АД типовой насосной станции системы водоснабжения.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
адаптивный алгоритм управления плавным пуском асинхронных двигателей, позволяющий сократить потери электрической энергии в обмотках АД, посредством расчета уставки максимального переходного тока с учетом ограничений, накладываемых требованиями безопасности, и текущего состояния процесса электромеханического преобразования энергии в системе «электрическая сеть - УПП - АД - насос - трубопровод»;
комплекс математических моделей и методика моделирования процессов электромеханического преобразования энергии в УПП АД типовой насосной станции системы водоснабжения при неустановившемся движении жидкости в трубопроводе произвольной конфигурации, позволяющие воспроизводить и исследовать условия протекания переходных процессов в системе «электрическая сеть - УПП - АД - насос - трубопровод» с минимальными затратами машинного времени.
Научная новизна. В работе решена задача автоматизации процессов управления плавным пуском асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения. В том числе:
- разработан адаптивный алгоритм управления плавным пуском асинхронных
двигателей, основанный на формировании программы пуска последователь
но для каждого асинхронного двигателя насосной станции с учетом текуще
го значения переменных состояния системы импульсно-фазового управле
ния тиристорным преобразователем напряжения АД и гидравлической под
системы насосной станции, реализованных в виде математических моделей,
встроенных в алгоритм.
Разработан оптимальный (по критерию затрат машинного времени) алгоритм численного интегрирования математической модели системы им-пульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения (СИФУ-ТПН) асинхронного двигателя, основанный на адаптации разностного метода интегрирования к текущему состоянию модели.
Разработана методика моделирования плавного пуска АД насосной станции системы водоснабжения, включающая в свой состав адаптивный алгоритм управления плавным пуском АД и оптимальный алгоритм интегрирования модели СИФУ-ТПН-АД, и, позволяющая с минимальными затратами машинного времени проводить исследования переходных процессов электромеханического преобразования энергии в системе «электрическая сеть -УПП - АД - насос - трубопровод» при неустановившемся движении жидкости в трубопроводе произвольной конфигурации.
Практическая значимость. Программная реализация предложенной математической модели, методики моделирования и адаптивного алгоритма управления плавным пуском АД позволяет сократить потери энергии в обмотках двигателей в переходных режимах путем внедрения и использования разработанного программного обеспечения на автоматизированном рабочем месте диспетчера насосной станции.
Методы и средства исследования. При проведении исследования использовались методы теоретической электротехники, электромеханики, теории импульсных систем автоматического управления, теории устойчивости, теоретической и прикладной гидродинамики, численные методы интегрирования дифференциальных уравнений, методы прикладной статистики. Проведение аналитических преобразований при получении символического представления модели СИФУ-ТПН-АД выполнено с помощью средств пакета расширения Symbolic Math Toolbox системы компьютерной математики "MATLAB 7.4" (The Math Works, Inc.). В этой же среде осуществлена разработка программного
обеспечения АСУПП АД насосной станции с целью проведения численных экспериментальных исследований. Натуральные экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке, смонтированной в проблемной лаборатории динамики импульсных систем преобразования энергии кафедры «ПТЭиВС» ОрелГТУ.
Реализация работы. Математические модели, методика моделирования и адаптивный алгоритм управления плавным пуском АД, предложенные в диссертационной работе, составляют основу пакета прикладных программ, предназначенных для интерактивного управления, мониторинга и диагностики автоматизированной системы управления плавным пуском асинхронных двигателей типовой насосной станции системы водоснабжения.
Апробация работы. Изложенные в настоящей диссертационной работе материалы докладывались на: третьем международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах» в 2004 г., всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» в 2004 г., международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» в 2004 г. и 2006 г., десятой и одиннадцатой международных студенческих олимпиадах по автоматическому управлению (Балтийская олимпиада - ВОАС-2004, ВОАС-2006) в 2004 г. и 2006 г. соответственно, всероссийской научной конференции «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии» в 2004 г., всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (УИТ-2005) в 2005 г., международной конференции «Высокие технологии энергосбережения» в 2005 г., третьей международной научной конференции по физике и управлению (The 3rd International IEEE Scientific Conference on Physics and Control - PhysCon 2007) в 2007 г., третьем
международном семинаре «Периодические системы управления» (3rd IF АС Workshop Periodic Control Systems (PSYCO'07)) в 2007 г.
Публикации по теме исследования. По результатам исследования опубликовано 14 работ, в том числе две статьи (из них одна статья в российском журнале, рекомендованном ВАК РФ для публикации результатов научных исследований).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 180 страницах и включает в свой состав оглавление, введение, четыре главы собственных исследований, заключение, список литературы из 152 наименований и 4 Приложения. Работа проиллюстрирована 54 рисунками и содержит 7 таблиц.
Типовая структура системы водоснабжения
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) водоснабжения представляет собой комплекс средств технического, информационного, математического и программного обеспечения для выработки и реализации управляющих воздействий на систему водоснабжения в соответствии с критерием минимума себестоимости подаваемой потребителям воды, требуемого объема при условии обеспечения ее необходимого качества. АСУТП водоснабжения имеет иерархическую структуру и включает в свой состав следующие основные подсистемы: - АСУТП подъема воды (управление группами артезианских скважин, НС первого подъема); - АСУТП очистки воды (управление водоочистными сооружениями); - АСУТП подачи и распределения воды (управление НС, подающими воду в сеть); - АСУТП дальнего транспорта воды (управление насосными станциями магистральных трубопроводов).
Перед тем как предложить структурную схему типовой насосной станции, обратимся к определению СНиП 2.04.02-84 [88]: насосной станцией (НС) называют комплекс гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающий забор воды из источников и транспортировку ее с помощью насосных агрегатов к напорному бассейну или месту потребления. Такое определение со вместно с представленными в [46, 74, 83, 94, 99, ПО, 129, 137] структурными схемами подачи, распределения и дальнего транспорта воды позволяют сформировать структурную схему типовой НС (рис. 1.1), включающую следующие компоненты: - водозаборный резервуар, в который вода поступает после соответствующей обработки в водоочистной подсистеме (в случае НС I подъема), непосредственно из артскважин (в случае НС II подъема) или из трубопровода предыдущего участка системы водоснабжения (в случае НС III, IV и др. подъемов); - т насосных установок (НУ). Под насосной установкой понимают комплекс устройств, обеспечивающих подачу воды из источника в напорный трубопровод с помощью насосного агрегата. Кроме насосного агрегата в состав НУ входят примыкающие к нему всасывающий и напорный трубопровод с арматурой и контрольно-измерительными приборами (КИП), а так же устройство управления (УУ) насосным агрегатом; - насосный агрегат (НА) - собранный в единый узел привод, редуктор и насос; - обводная линия - вводится в действие в случае аварийной остановки НУ; - магистральный трубопровод, длинной L, состоящий из п сегментов, предназначенный для передачи воды в напорный резервуар системы дальнего транспорта воды, откуда вода перекачивается НС следующего подъема или поступает непосредственно в сеть; - трансформаторная подстанция (ТП), обеспечивающая питание основного и вспомогательного электрооборудования НС.
Как показывает анализ литературных источников [9, 12, 14, 36, 72, 113, 116, 143], проблема сокращения потерь электроэнергии в обмотках электропривода центробежных насосов в процессе пуска является весьма актуальной в тех случаях, когда существует необходимость частого пуска насосных агрегатов (например, системы водоснабжения в которых по технологическим соображениям используются резервуары небольшой емкости (системы очистки воды, системы водоснабжения небольших объектов), а так же при использовании погружных насосов). В качестве примера можно привести канализационную систему, состоящую из десяти насосных станций, монтированных в 2002 году на объекте федерального значения «Стрельна», и, предназначенных для отвода хозбытовых и ливневых стоков с территории Константиновского Дворца и группы гостиниц-резиденций стран Большой Восьмерки. В этой системе по технологическим соображениям был уменьшен объем резервуаров, в связи с чем, количество пусков насосных агрегатов достигает 60 в час [9].
АСУ АЭП входит в состав нижнего уровня иерархической структуры АСУ водоснабжения (рис. 12.). Одна из функций АСУ АЭП заключается в пуске и останове двигателей насосных агрегатов.
Первоначально, двигатели НА коммутировали с питающей сетью напрямую. Многочисленные негативные последствия прямого пуска и останова привели к необходимости использования полупроводниковых преобразовательных устройств (или устройств плавного пуска), предназначенных для управляемого формирования пуско-тормозных траекторий приводимых механизмов. Многоплановость этой задачи, необходимость создания и использования информационного, математического и программного обеспечения для ее эффективного решения, привели к появлению нового подкласса АСУ АЭП, получившего название автоматизированных систем управления плавным пуском (АСУПП) электродвигателей [82].
Как и верхние иерархические уровни, АСУПП наделена тремя функциями: управляющей, информационной и вспомогательной. Описанию этих функций посвящен следующий раздел первой главы.
Следуя определению автоматизированной системы управления, устанавливаемого ГОСТ 24,103-84 [24], под АСУ плавным пуском электропривода НС системы водоснабжения будем понимать комплекс средств технического, информационного, математического и программного обеспечения для формирования управляющих сигналов и передачи их без потерь и искажения на устройство плавного пуска НА с целью наиболее эффективного протекания переходных процессов в системе «сеть - насосный агрегат - трубопровод». Критерием эффективности в данном случае выступает минимизация потерь электроэнергии при удовлетворении соответствующих ограничений.
Модель системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения асинхронного двигателя
Сосредоточенная постановка задачи описания электромеханического преобразования энергии в СИФУ-ТПН-АД, обоснованная выше, определяет совокупность допущений, используемых в этом случае [15, 18, 21, 48, 54, 55, 76]. В частности предполагается, что насыщение магнитопровода статора и ротора АД не происходит; воздушный зазор между статором и ротором является гладким, пазы - отсутствуют; обмотки двигателя являются сосредоточенными и сдвинутыми относительно друг друга на фазный угол; параметры схемы замещения двигателя не изменяются в переходных процессах и соответствуют параметрам установившегося режима. Каждый тиристор преобразователя напряжения представляется идеальным ключом, наличие параллельной демпфирующей RC-цепи не учитывается.
Импульсный характер функционирования симметричного трехфазного ТПН (рис. 2.1а) позволяет выделить в продолжение периода питающего напряжения интервалы постоянства структуры (ИПС), количество которых равно пяти [15, 21, 76, 77, 109, 111, 112, 121, 151, 152]. Каждый интервал характеризуется соответствующим режимом подключения АД к сети переменного тока. Можно выделить три несимметричных двух фазных режима: "АВ", "ВС", "АС"; и два симметричных: "ABC" и "О" (режим отключения АД от сети) (рис. 2.16). В традиционной практике моделирования несимметричных нестационарных режимов (HP) подключения АД к сети принята следующая последовательность преобразований (рис. 2.2): а) получение модели трехфазного АД в физической системе координат ABC с использованием законов Ома и Кирхгофа; б) преобразование уравнений роторных обмоток двигателя к неподвижной относительно статора системе координат a-fi-y путем введения в ро торные цепи ЭДС вращения; в) переход к обобщенной модели двухфазного идеального двигателя в непод вижной относительно статора системе координат а - j3 на основании до пущения о симметричной трехфазной системе токов, питающих обмотки АД; г) получение модели несимметричного режима путем введения условий, ха рактеризующих тот или иной вид несимметрии, в модель обобщенного двигателя. В частности, для описания отключения одной фазы двигателя от сети в [21, 76, 112, 121, 132, 151, 152] предлагается обнулять соответст вующие проекции обобщенного вектора тока и напряжения статорных об моток двигателя; в работе [15, 41, 42, 57] используется прием, при котором отключение фазы двигателя от сети моделируется приложением напряже ния, обеспечивающего равенство нулю тока в отключенной фазе. для получения математических моделей несимметричных режимов
Исторические предпосылки появления такой методики связаны с тем, что, несмотря на трудоемкость, перечисленные преобразования могут быть выпол нены вручную. Однако, существует два недостатка итоговой модели HP, полученной в такой последовательности: во-первых, несимметричный режим описывается моделью, полученной в предположении симметричной системы питающих токов (пункт в); во-вторых, на каждом шаге интегрирования такой модели необходимо значения статорных токов, записанных в а-р системе координат, преобразовывать к значениям в а- (3-у системе координат для того, что бы определить момент закрывания того или иного тиристора.
В связи с указанными недостатками в работе предлагается отойти от традиционной методики и использовать модели HP, полученных с использованием законов Ома и Кирхгофа в системе координат a-J3-y, сразу после преобразования из физической системы координат ABC для устранения периодических коэффициентов перед переменными. При этом промежуточные преобразования, которые не могут быть выполнены вручную в силу своей громоздкости, осуществлены с помощью средств пакета расширения Symbolic Math Toolbox системы компьютерной математики "MATLAB 7.4" (The Math Works, Inc.) [6, 33].
Для пояснения предлагаемой методики описания несимметричных режимов рассмотрим составление уравнений режима "ВС".
На основании первого закона Кирхгоффа составим систему уравнений, описывающую баланс напряжений в статорных и роторных обмотках трехфазного АД, эквивалентная схема замещения которого приведена на рис. 2.3.
Постановка и проведение экспериментального исследования УПП АД на базе ТПН с СИФУ, синхронизированной по напряжению сети
Постановка и проведение экспериментального физического и численного исследований УПП АД осуществляется с целью проверки адекватности математической модели СИФУ-ТПН-АД, построенной на основе моделей несимметричного подключения АД к сети переменного тока (раздел 2.1.1), и гибридного алгоритма интегрирования моделей импульсных преобразователей энергии (раздел 2.1.2).
Ограничения, накладываемые на формирование пуско-тормозных траекторий АД (раздел 1.2.1), связаны с двумя показателями переходных процессов: амплитудой ударного пускового тока АД Іуп, А и продолжительностью переходного процесса Гп, с. На этом основании указанные показатели переходного процесса принимаются в качестве выходных переменных в экспериментальном исследовании. Входной переменной является угол управления ТПН а, эл._ град.
Поскольку значение момента сопротивления на валу АД не оказывает влияния на логику функционирования СИФУ-ТПН-АД, то для исключения погрешностей, которые могут быть внесены ошибкой отработки момента сопротивления Мс при проведении физического эксперимента, проводится пуск АД в режиме холостого хода Мс = 0 с суммарным моментом инерции на валу АД: /г - «Ад + «/дпъ где УАД - собственный момент инерции АД, /дпт - момент инерции двигателя постоянного тока (ДПТ), функционирующего в режиме генератора.
Кроме того предполагается, что отклонения амплитуды и частоты напряжения сети от номинальных значений при проведении физического эксперимента носят случайный характер и не влияют на оценку результатов.
Оценка адекватности физической и экспериментальной моделей СИФУ-ТПН-АД проводится посредством расчета и анализа значения относительной погрешности ударного тока АД ЗІуп в диапазоне варьирования угла управления ее є [80; 116] эл. град. Относительная погрешность ударного тока діуп вычисляется по следующей формуле: где 1уп,ФЭ (1уп,чэ) - максимальный ток статорных обмоток АД при проведении физического (численного) эксперимента.
При этом из результатов серии экспериментов для анализа выбирается тот, в котором зафиксировано максимальное мгновенное значение тока.
Шаг варьирования угла управления принимается равным Ла=2 эл. град., что позволит для диапазона а є [80; 116] получить 19 отсчетов.
Анализ сделанных в разделе 2.1.1 допущений при построении математической модели ТПН-АД с использованием сосредоточенной постановки, позволяет априорно предположить, что максимальная амплитуда статорных токов и длительность пуска при проведении физического эксперимента должны превышать значения аналогичных показателей, полученных при математическом моделировании.
Проведение численного эксперимента предполагает разработку алгоритма функционирования математической модели СИФУ-ТПН-АД и ее программную реализацию. Блок схема алгоритма функционирования СИФУ-ТПН-АД приведена на рис. 3.1. На первом этапе проводится инициализация зависимых переменных, параметров импульсов управления ТПН, счетчиков периодов и т.п. при нулевых и ненулевых НУ; задаются матрицы коэффициентов субалгоритмов гибридного алгоритма интегрирования; задаются допустимая погрешность, начальный ((,-) и конечный (Tend) моменты времени интегрирования (АЛ). Если не достигнуто Tend (А.2), то определяются номера текущего периода К, h, К (А.З); моменты времени фронтов m/j, /=1...6 и спадов mSii, /=1...6 импульсов управления для каждого тиристора ТПН в функции угла управления а, ка, кь, кс и tj (А.4); текущий шаг интегрирования tM=mm(mftl), текущий режим подключения АД к сети gj из множества gjEG={AB, ВС, AC, ABC, «0»} в зави-симости от значений rrifj, mSii и мгновенных токов статорных обмоток АД isa(tj) hp(tj), iSy(tj) (А.5). Если переключения между режимами gj-i— gj на предыдущем шаге у-1 не было (А.6) или оно было корректным (А.7), то интегрирование на текущем шаге будет проводиться для модели режима gj (А.8). Если на предыдущем шаге было некорректное переключение режимов, то интегрирование на текущем шаге будет проводиться для модели режима gj.j (А.9), который имел место в предыдущий момент времени. Интегрирование моделей gj или gj.j проводится с использованием гибридного алгоритма на интервале времени te[tf,tj+tint] или до момента снижения мгновенного тока в той или иной фазе ниже значения тока удержания, что будет соответствовать закрыванию тиристора и изменению текущего режима подключения АД к сети. Если на интервале интегрирования te[tj;tj+tint] произошло переключение между режимами, то проводится сопоставление полярности токов isa, іф, isy с текущем режимом подключения к сети gj с целью определения смещения напряжения на тиристорах (АЛО), поскольку, как известно, тиристор может открыться только при одновременном выполнении двух условий: (1) наличие импульса на управляющем электроде и (2) наличие прямого смещения между анодом и катодом. Если переключения режимов не было (АЛ 1), то текущий момент времени увеличивает
Разработка адаптивного алгоритма управления плавным пуском АД насосной станции
Проведенный в предыдущем разделе анализ составляющих математичкой модели АСУГШ АД позволяет перейти к разработке дискретного алгоритма адаптивного управления с идентификатором и предсказателем, рассматривая в качестве объекта управления машинную модель процесса функционирования УПП АД насосной станции системы водоснабжения. С этой целью рассмотрим логическую схему функционирования АСУГШ АД насосной станции, приведенную на рис. 4.1, где с целью упрощения рисунка для пуска каждого АД используется отдельное УПП. В действительности, как было показано в разделе 2.2, одно УПП с помощью коммутационного оборудования подключается последовательно к каждому АД.
Рассмотрим традиционный пуск АД насосных агрегатов с помощью УПП по программе с токо-ограничением при которой уставка тока 1у задается одинаковой для всех АД основных насосов, т.е. Iy -Iyj = Іуд -. .= Iy,n. Перед началом пуска первого двигателя АДі во вторичной цепи трансформаторной подстанции действующее линейное напряжение имеет величину U„y, в трубопроводе существует установившийся напор #ст,ь который вместе с начальным расходом QH обуславливают величину момента сопротивления MCt\ центробежного насоса ЦН]. Управляемый пуск первого АД начинается в момент времени tstart,i при подаче соответствующей команды на УПП. В продолжение переходного процесса: (1) появившиеся пусковые токи вызывают падение напряжения в электрической сети на величину AUj; (2) температура статорных обмоток АД повышается до значения @і\ (3) напор воды в трубопроводе возрастает на величину максимальное значение которой равно Д#/. По окончании переходного процесса в трубопроводе устанавливается напор Я д, который вместе с расходом QH будут обуславливать величину момента сопротивления МС)2 центробежного насоса ЦН2.
В таком порядке запускаются все п АД насосных агрегатов, причем при запуске каждого последующего двигателя начальными условиями являются значения переменных состояния модели, полученные при пуске предыдущих АД.
Результаты анализа энергетических потерь в АД при управляемом пуске (см. раздел 1.2.3), а так же анализ приведенной выше логики функционирования АСУПП позволяет заключить, что использование фиксированной уставки тока для пуска всех АД насосной станции не может считаться эффективным, поскольку выбор заниженного значения 1У приводит к необоснованному затягиванию пуска и потерям энергии, как это следует из анализа графиков рис. 1.7; выбор завышенного значения 1у, как это показано на рис. 3.6, приводит к провалам напряжения в сети ниже предельно допустимого значения, устанавли ваемого ГОСТ 13109-97, а так же может послужить причиной возникновения гидравлического удара в трубопроводе (рис. 3.11).
Для устранения перечисленных недостатков разработан адаптивный алгоритм, который по результатам анализа текущего состояния процесса преобразования энергии в системе «электрическая сеть - УПП - АД - насос - трубопровод» позволяет сформировать максимально возможную уставку тока 1у для УПП, при отработки которой в продолжение управляемого пуска АД будут удовлетворены соответствующие ограничения. Логическая схема адаптивного алгоритма управления плавным пуском АД насосной станции системы водоснабжения приведена на рис. 4.2. Начало Ввод исходной информации в БД программы
На этапе ввода в эксплуатацию машинной программы, реализующих алгоритм управления АСУПП АД, в базу данных (БД) программы заносится исходная информация по следующим категориям (рис. 4.3): электрическая подсистема (параметры трансформаторной подстанции и АД, включая теплофизи-ческие параметры материалов АД); механическая подсистема (параметры цен тробежных насосов); гидравлическая подсистема (параметры магистрального трубопровода, обводной линии, резервуаров).
