Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Стационарные режимы работы и расчет мощности электрооборудовния автономного МДП-генератора 15
1.1 Варианты ВГУ на основе МДП-генератора 15
1.2 Режимы работы автономного МДП-генератора 20
1.3 Расчет и выбор электрооборудования МДП-генератора 24
1.3.1 Мощность асинхронного генератора 26
1.3.2 Мощность ИРМ 31
1.3.3 Мощность преобразователя частоты 33
Выводы 47
Глава 2. Энергетические показатели и технико-экономическое сравнение вариантов автономного МДП-генератора 49
2.1 Коэффициент полезного действия 49
2.2 Коэффициент мощности 51
2.3 Коэффициент нелинейных искажений напряжения 54
2.4 Технико-экономическое сравнение вариантов автономного МДП-генератора 63
2.4.1 Методика расчета экономических показателей 63
2.4.2 Расчет и анализ экономических показателей 65
Выводы 74
Глава 3. Динамические режимы автономного МДП- генераторас неадаптивными регуляторами 77
3.1 Математическая модель и структурные схемы 78
3.2 Оптимизация контуров регулирования амплитуды и частоты напряжения 85
3.3 Моделирование динамических режимов 89
3.4 Система регулирования на базе неадаптивных регуляторов с эталонной моделью 102
Выводы 107
Глава 4. Динамические режимы автономного мдп- генератора с FUZZY-регулированием 110
4.1 Синтез FUZZY-регулятора амплитуды напряжения 113
4.2 Синтез FUZZY-регулятора частоты напряжения 124
4.3 Нечеткое моделирование динамических режимов 128
4.4 Система регулирования на базе FUZZY-регуляторов с эталонной моделью 138
Выводы 145
Заключение 147
Литература 150
Приложения 164
- Варианты ВГУ на основе МДП-генератора
- Коэффициент нелинейных искажений напряжения
- Оптимизация контуров регулирования амплитуды и частоты напряжения
- Синтез FUZZY-регулятора амплитуды напряжения
Введение к работе
Одним из перспективных направлений развития малой энергетики является энергообеспечение автономных объектов, например, таких как морские и речные суда. В качестве основных источников электроэнергии на судах используются дизель-генераторные агрегаты (ДГ), число и мощность которых определяется назначением судна и режимами его работы. Однако, малые моторесурсы быстроходных двигателей внутреннего сгорания, применяемых в качестве первичных двигателей генераторов на судовых электростанциях (СЭС) и относительно высокая их стоимость обусловливают большие амортизационные отчисления.
Основным по продолжительности режимом работы большинства судов является ходовой режим при различных скоростях движения. Различие во внешних характеристиках движителя (гребного винта) и главного двигателя (ГД) приводит к тому, что практически во всем диапазоне скоростей хода судна на валу ГД существует избыточная мощность, составляющая около 10 - 12% мощности ГД. Использование этой избыточной мощности для выработки электроэнергии перспективно, так как позволяет сберегать моторесурс ДГ, использовать для получения электроэнергии более дешевые сорта топлива, а также повысить надежность и экономичность судовой энергетической установки (СЭУ).
Концепция использования генераторов отбора мощности или валогенераторных установок (ВГУ) известна с середины прошлого века. При разработке и создании ВГУ перед разработчиками возникает проблема получения стабильных параметров вырабатываемой электроэнергии ВГУ (амплитуды (U\) и частоты (/}) напряжения) при переменных, в зависимости от ходового режима, скорости вращения вала ГД (со = var) и нагрузки в судовой электросети.
6 Стабилизация U\ и f\ может быть осуществлена двумя способами: механическим (с применением дифференциальных редукторов, гидромеханических устройств) и электрическим (преобразователей частоты ПЧ). Оба способа обеспечивают необходимое качество вырабатываемой электроэнергии, однако, второй, отличающийся простотой механической части, наиболее приемлем для малой и средней мощности (до 1500 кВт). В этом случае ВГУ может быть реализована на основе синхронного генератора (СГ) или асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (АГ с КЗ). В обоих вариантах вся активная мощность от движителя в нагрузку поступает через статор СГ или АГ с КЗ. При использовании преобразователей частоты в цепи статора генераторов, ПЧ должны выбираться на полную мощность нагрузки.
Использование асинхронной машины давно интересовало исследователей, работающих в области систем генерирования электроэнергии. Общее признание в этом направлении в 50-60 годы прошлого века получили труды А.А. Иванова, Ю.Д. Зубкова, С.К. Бохяна, А.В. Новикова, С.З. Барского и др. ученых по разработке и исследованию систем конденсаторного возбуждения и регулирования асинхронных генераторов [6, 10,12, 14, 32, 38, 43].
Система автоматического регулирования (САР) параметров генерируемой электроэнергии является основным звеном управления ВГУ. Наибольшее распространение в настоящее время получили САР, построенные по принципу подчиненного регулирования. В качестве управляемых координат здесь используются стабилизируемые параметры генерируемой электроэнергии - амплитуда и частота выходного напряжения.
Разработке систем регулирования и стабилизации выходных параметров посвящен ряд работ СП. Бояр-Созоновича, Н.Д. Торопцева, СИ. Кициса, А.И. Лищенко, В.А. Лесника и др. ученых [10, 57, 62, 70, 71, 83]. Особые возможности по использованию АГ КЗ получили благодаря
системам вентильного возбуждения и регулирования, что подробно рассмотрено в работах М.Л. Костырева [43].
Новый этап в разработке ВГУ связан с использованием машины двойного питания (МДП). В этом случае в качестве генератора используется асинхронная машина с фазным ротором (АГ с ФР). Благодаря хорошим регулировочным возможностям МДП-генератор занимает равноправное место в ряду альтернативных ВГУ, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества [7, 8, 11, 36, 57]. Вариант ВГУ на основе МДП особенно перспективен при широком диапазоне изменения скорости вращения вала движителя (2:1 и более), когда к мощности, генерируемой через статор, добавляется значительная составляющая мощности скольжения, генерируемая через ПЧ. Глубокие научные и практические исследования в области МДП проведены в АО «ВНИИ электроэнергетики» под руководством М.М. Ботвинника и Ю.Г. Шакаряна, а в ОАО «Электропривод» под руководством Г.Б. Онищенко, отражены в работах А.С. Сандлера, СВ. Хватова, В.Г. Титова, О.С. Хватова и др. ученых [1, 7, 9, 28,78-81].
Среди опубликованных за последние двадцать лет статей зарубежных ученых по исследованию МДП-генераторов отметим работы А. Петерсона (A. Petersson), М. Хеллера (М. Heller), В. Хофмана (W. Hofmann), А. Хьюса (A. Hughes), Д. Корды (J. Corda), П. Эдвардсена (P. Edvardsen), М. Ямомоты (М. Yamamoto), О. Мотоёши (О. Motoyoshi) и др. [117-126,135,138].
Новые возможности по использованию МДП-генератор получил благодаря последним достижениям в области силовой электроники, созданию современных ПЧ, которые сегодня в определенном диапазоне мощностей обеспечивают практически синусоидальное питание цепей АГ.
Работы по исследованию и внедрению МДП-генератора в автономные установки активно ведутся за рубежом. Например, в Японии фирмой Hitachi, в Германии - AKW, Siemens, AEG, в Норвегии - ABB KraftAs и ABB
Corporate Research, в Австралии - Rainbow Power Company. Накопленный мировой и отечественный опыт по исследованию и разработке МДП-генераторов, в частности, для установок отбора мощности, позволяет сделать вывод о несомненной актуальности подобных работ.
В отмеченных выше работах отражены различные вопросы, связанные с использованием МДП-генераторов. Исследованию стационарных режимов (расчет и выбор электрооборудования, анализ эксплуатационных показателей и др.) посвящены работы отечественных [9, 56, 57, 109, ПО] и зарубежных [117, 118] ученых. По динамике МДП-генераторов (принципы построения замкнутых САР, анализ переходных процессов) отметим, прежде всего, работы [8, 28, 56, 57]. Вопросы энергетики нашли свое отражение в [7, 56]. Рекомендации по областям целесообразного применения МДП-генераторов изложены в [7, 56]. В указанных исследованиях большое внимание уделено параллельной работе МДП-генератора с другими источниками и недостаточно отражены особенности автономного режима работы. По автономной работе, в основном, рассматривается вариант на основе СГ, а автономная работа асинхронных генераторов лишь для АГ с КЗ [6, 10]. Некоторые исследования автономного МДП-генератора представлены в ряде работ [95, 96, 99].
Анализ показывает, что автономная работа МДП-генератора изучена недостаточно. Мало исследованы вопросы влияния секционированности источника реактивной мощности (ИРМ), диапазона изменения частоты вращения вала, величины и характера нагрузки на установленную мощность элементов оборудования и эксплуатационные показатели автономного МДП-генератора. Недостаточно исследованы динамические режимы автономного МДП-генератора для различных вариантов реализации САР (с использованием неадаптивных регуляторов и FUZZY-регуляторов).
Цель диссертационной работы - исследование стационарных и динамических режимов судовой валогенераторнои установки на основе машины двойного питания, работающей в автономном режиме, при широком диапазоне изменения скорости вращения вала главного двигателя.
Задачи диссертационной работы;
Исследование стационарных процессов автономного МДП-генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности. Расчет и выбор элементов оборудования, оценка основных эксплутационных показателей в зависимости от параметров нагрузки и режима работы МДП-генератора.
Обоснование влияния секционированности ИРМ и диапазона изменения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощность преобразователя частоты.
Разработка математической модели динамических режимов автономного МДП-генератора. Синтез неадаптивной САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения МДП-генератора.
Разработка и синтез двухканальной САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения автономного МДП-генератора, реализованной на базе аппарата нечеткой логики (FUZZY-логика).
Сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
Разработка и создание экспериментальной установки автономного МДП-генератора мощностью 5,5 кВт.
Методы исследования
В работе использованы методы аналитической теории электрических машин переменного тока, полупроводниковых преобразователей и систем автоматического управления. Использовалось математическое моделирование на ПЭВМ и экспериментальные исследования на физической модели (лабораторный макет мощностью 5,5 кВт). Расчет экономических показателей проводился по методике Project Expert 7.0.
Связь темы с научно - техническими программами
Работа выполнялась в рамках:
единого заказ - наряда Минобразования РФ по теме «Разработка основ теории и проектирования генераторных агрегатов переменной скорости вращения» (валогенераторы, ветро- и гидрогенераторы, нагрузочные генераторы);
научно-технического договора "Разработка судовой валогенераторной установки стабильной амплитуды и частоты выходного напряжения" между ОАО «Нижегородский порт» (г. Нижний Новгород) и Волжской государственной академией водного транспорта (г. Нижний Новгород) на период 2004 - 2006 г.;
региональной программы «Использование местных, нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов на период 2001 - 2010 г. в Нижегородской области».
Научная новизна
1. Проведены исследования стационарных процессов автономного МДП-генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности, позволяющие осуществлять расчет и выбор элементов оборудования, а также производить оценку основных эксплутационных
11 показателей в зависимости от параметров нагрузки и режима работы МДП-генератора.
Обосновано влияние секционированности ИРМ и диапазона изменения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощность преобразователя частоты.
Разработана математическая модель динамических режимов автономного МДП-генератора. Для рассматриваемой модели синтезирована и реализована неадаптивная САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения.
Синтезирована двухканальная САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения автономного МДП-генератора, реализованная на базе аппарата нечеткой логики (FUZZY-логика).
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана методика расчета стационарных процессов автономного МДП-генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности.
Проведен сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
В научно-исследовательской лаборатории «Электроприводы переменного тока» кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок» Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) создан макетный образец энергетического комплекса на базе МДП-генератора мощностью 5,5 кВт, работающий в автономном режиме.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы:
при создании концепции развития судовых ВГУ в ОАО «Нижегородский порт» (г. Нижний Новгород);
в учебном процессе при подготовке в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г. Нижний Новгород) инженеров специальности 24.06.00 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» по дисциплине «Основы судового электропривода» в разделах «Статические и динамические режимы судового электропривода переменного тока с полупроводниковыми преобразователями», по дисциплине «Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации» в разделе «Судовой автоматизированный электропривод переменного тока» (асинхронные вентильные каскады и машины двойного питания); в курсовом проектировании по дисциплине «Основы судового электропривода» и дипломного проектировании;
в учебном процессе Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) (г. Нижний Новгород) при подготовке инженеров и магистров специальностей 14.06.04 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» по курсам «Теория электропривода», «Моделирование электромеханических систем» и 14.06.08 «Электрооборудование и автоматика судов» по курсу «Судовые электроэнергетические установки».
В работе автор защищает:
і 1. Методику расчета стационарных процессов автономного МДП-
генератора при условии максимального использования АГ по активной мощности, позволяющую осуществлять расчет и выбор элементов оборудования, а также производить оценку основных эксплутационных
показателей в зависимости от параметров нагрузки и режима работы МДП-генератора.
Результаты влияния секционированности ИРМ и диапазона изменения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощность преобразователя частоты.
Математическую модель динамических режимов автономного МДП-генератора. Структуру САР автономного МДП-генератора (с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
Результаты сравнительного анализа динамических режимов автономного МДП-генератора для двух вариантов реализации САР (с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
Публикация и апробация работы
По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе получен патент на полезную модель.
Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно - технических конференциях:
научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава аспирантов и специалистов «ТРАНСПОРТ-ХХІ ВЕК». Н.Новгород, ВГАВТ, 2003;
III Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки». Н.Новгород, НГТУ, 2004;
ежегодные региональные научно-технические конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики». Н.Новгород, НГТУ, 2004-2006;
ежегодные IX, X, XI Нижегородские сессии молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 2004-2006.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 172 страницах, содержит 77 рисунков и 6 таблиц.
Варианты ВГУ на основе МДП-генератора
Одним из перспективных направлений развития малой энергетики является энергообеспечение автономных объектов, например, таких как морские и речные суда. В качестве основных источников электроэнергии на судах используются дизель-генераторные агрегаты (ДГ), число и мощность которых определяется назначением судна и режимами его работы. Однако, малые моторесурсы быстроходных двигателей внутреннего сгорания, применяемых в качестве первичных двигателей генераторов на судовых электростанциях (СЭС) и относительно высокая их стоимость обусловливают большие амортизационные отчисления.
Основным по продолжительности режимом работы большинства судов является ходовой режим при различных скоростях движения. Различие во внешних характеристиках движителя (гребного винта) и главного двигателя (ГД) приводит к тому, что практически во всем диапазоне скоростей хода судна на валу ГД существует избыточная мощность, составляющая около 10 - 12% мощности ГД. Использование этой избыточной мощности для выработки электроэнергии перспективно, так как позволяет сберегать моторесурс ДГ, использовать для получения электроэнергии более дешевые сорта топлива, а также повысить надежность и экономичность судовой энергетической установки (СЭУ).
Концепция использования генераторов отбора мощности или валогенераторных установок (ВГУ) известна с середины прошлого века. При разработке и создании ВГУ перед разработчиками возникает проблема получения стабильных параметров вырабатываемой электроэнергии ВГУ (амплитуды (U\) и частоты (/}) напряжения) при переменных, в зависимости от ходового режима, скорости вращения вала ГД (со = var) и нагрузки в судовой электросети. Стабилизация U\ и f\ может быть осуществлена двумя способами: механическим (с применением дифференциальных редукторов, гидромеханических устройств) и электрическим (преобразователей частоты ПЧ). Оба способа обеспечивают необходимое качество вырабатываемой электроэнергии, однако, второй, отличающийся простотой механической части, наиболее приемлем для малой и средней мощности (до 1500 кВт). В этом случае ВГУ может быть реализована на основе синхронного генератора (СГ) или асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (АГ с КЗ). В обоих вариантах вся активная мощность от движителя в нагрузку поступает через статор СГ или АГ с КЗ. При использовании преобразователей частоты в цепи статора генераторов, ПЧ должны выбираться на полную мощность нагрузки.
Использование асинхронной машины давно интересовало исследователей, работающих в области систем генерирования электроэнергии. Общее признание в этом направлении в 50-60 годы прошлого века получили труды А.А. Иванова, Ю.Д. Зубкова, С.К. Бохяна, А.В. Новикова, С.З. Барского и др. ученых по разработке и исследованию систем конденсаторного возбуждения и регулирования асинхронных генераторов [6, 10,12, 14, 32, 38, 43].
Система автоматического регулирования (САР) параметров генерируемой электроэнергии является основным звеном управления ВГУ. Наибольшее распространение в настоящее время получили САР, построенные по принципу подчиненного регулирования. В качестве управляемых координат здесь используются стабилизируемые параметры генерируемой электроэнергии - амплитуда и частота выходного напряжения.
Разработке систем регулирования и стабилизации выходных параметров посвящен ряд работ СП. Бояр-Созоновича, Н.Д. Торопцева, СИ. Кициса, А.И. Лищенко, В.А. Лесника и др. ученых [10, 57, 62, 70, 71, 83]. Особые возможности по использованию АГ КЗ получили благодаря системам вентильного возбуждения и регулирования, что подробно рассмотрено в работах М.Л. Костырева [43].
Новый этап в разработке ВГУ связан с использованием машины двойного питания (МДП). В этом случае в качестве генератора используется асинхронная машина с фазным ротором (АГ с ФР). Благодаря хорошим регулировочным возможностям МДП-генератор занимает равноправное место в ряду альтернативных ВГУ, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества [7, 8, 11, 36, 57]. Вариант ВГУ на основе МДП особенно перспективен при широком диапазоне изменения скорости вращения вала движителя (2:1 и более), когда к мощности, генерируемой через статор, добавляется значительная составляющая мощности скольжения, генерируемая через ПЧ. Глубокие научные и практические исследования в области МДП проведены в АО «ВНИИ электроэнергетики» под руководством М.М. Ботвинника и Ю.Г. Шакаряна, а в ОАО «Электропривод» под руководством Г.Б. Онищенко, отражены в работах А.С. Сандлера, СВ. Хватова, В.Г. Титова, О.С. Хватова и др. ученых [1, 7, 9, 28,78-81].
Среди опубликованных за последние двадцать лет статей зарубежных ученых по исследованию МДП-генераторов отметим работы А. Петерсона (A. Petersson), М. Хеллера (М. Heller), В. Хофмана (W. Hofmann), А. Хьюса (A. Hughes), Д. Корды (J. Corda), П. Эдвардсена (P. Edvardsen), М. Ямомоты (М. Yamamoto), О. Мотоёши (О. Motoyoshi) и др. [117-126,135,138].
Новые возможности по использованию МДП-генератор получил благодаря последним достижениям в области силовой электроники, созданию современных ПЧ, которые сегодня в определенном диапазоне мощностей обеспечивают практически синусоидальное питание цепей АГ.
Работы по исследованию и внедрению МДП-генератора в автономные установки активно ведутся за рубежом. Например, в Японии фирмой Hitachi, в Германии - AKW, Siemens, AEG, в Норвегии - ABB KraftAs и ABB Corporate Research, в Австралии - Rainbow Power Company. Накопленный мировой и отечественный опыт по исследованию и разработке МДП-генераторов, в частности, для установок отбора мощности, позволяет сделать вывод о несомненной актуальности подобных работ.
Коэффициент нелинейных искажений напряжения
Полагаем, что подключение (отключение) реактивной нагрузки приводит к изменению амплитуды, а активной нагрузки - к изменению частоты напряжения МДП-генератора [9, 14, 57].
Для того чтобы получить систему уравнений, связывающую МДП-генератор и нагрузку, воспользуемся теоремой ТОЭ о балансе мощностей. Баланс активных мощностей приводит к стабилизации частоты, а баланс реактивных мощностей - амплитуде напряжения.
Изменение частоты напряжения генерируемой электроэнергии соответствует изменению фазы вектора напряжения статора МДП-генератора. Требуемая генерируемая реактивная мощность обеспечивается необходимой величиной реактивной составляющей тока ротора МДП-генератора, поэтому изменение величины реактивного тока МДП-генератора приводит к пропорциональному изменению амплитуды генерируемого напряжения. Уравнения, связывающие МДП-генератор и нагрузку, можно представить следующим образом где РГЕІЬ РНАГ - соответственно активные мощности МДП-генератора и нагрузки; соэт - эталонное значение частоты напряжения статора МДП-генератора; Да - изменение фазы вектора напряжения статора МДП-генератора; /рги1 /рнаг - соответственно реактивные составляющие токов МДП-генератора и нагрузки; Д/і - изменение величины напряжения статора МДП-генератора; св - коэффициент связи между током возбуждения и амплитудой генерируемого напряжения МДП-генератора.
По уравнениям (3.8, 3.9) разработана двухканальная САР стабилизации амплитуды и частоты напряжения рис. 3.2. Первый канал САР содержит внешний контур регулирования амплитуды напряжения с неадаптивным регулятором амплитуды напряжения, которому подчинен контур реактивного тока ротора. Второй канал содержит внешний контур регулирования частоты напряжения с неадаптивным регулятором частоты напряжения, которому подчинен контур активного тока ротора. Левая часть структурной схемы соответствует САР МДП-генератора, центральная, в соответствии с (3.8), представляет собой модель МДП-генератора, а правая на основании (3.9) является моделью электрической нагрузки.
Компенсация ЭДС вращения в САР выполняется с помощью двух блоков прямого координатного преобразования (ПК 1, ПК 2), в которые поступает информация: о токах статора и ротора МДП-генератора (от датчиков тока), о скорости вращения вала со (от тахогенератора), об угловом положении ротора относительно системы координат «X-Y» (от датчика углового положения) (рис. 3.3).
Функциональная схема автономного МДП-генератора, представлена на рис. 3.1. В ней приняты следующие обозначения: ДН, ДЧ - датчики амплитуды и частоты напряжения, ДТ - датчик тока; U3u, U34 - задание на величину амплитуды и частоты напряжения; /дта, Upjp - сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим тока статора; а, ф2 - угол управления роторным блоком вентилей ПЧ и фаза тока ротора; (3, фПч -угол управления сетевым блоком вентилей ПЧ и фаза сетевого тока ПЧ.
Благодаря компенсации перекрестных связей по ЭДС вращения [68] каналы регулирования амплитуды и частоты напряжения МДП-генератора рассмотрены как независимые, что значительно упрощает синтез структуры и параметров регуляторов САР. Поскольку механическая инерционность МДП-генератора значительно превышает электромагнитную, анализ САР проводится при условии ш = const. При этом контур активного тока ротора становится идентичным контуру реактивного тока ротора. Поэтому оптимизацию проведём на примере одного из них (контур активного тока ротора МДП-генератора).
Структурная схема замкнутого контура регулирования активного тока ротора МДП-генератора изображена на рис. 3.4. В объект регулирования входят два последовательно включенных апериодических звена: ПЧ и эквивалентная цепь протекания тока ротора. Сигналом задания для контура тока ротора является разность сигналов выхода регулятора амплитуды (частоты) напряжения и обратной связи по току.
Оптимизация контуров регулирования амплитуды и частоты напряжения
В главе 3 синтезирована модель САР автономного МДП-генератора на базе неадаптивных регуляторов (регуляторов амплитуды и частоты напряжения). Недостатком САР с неадаптивными регуляторами, является то, что она не обеспечивает высокой стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения при переменной скорости вращения вала приводного движителя (главного судового дизеля) и электрической нагрузки в сети.
Для улучшения показателей переходных процессов в контурах регулирования амплитуды и частоты напряжения автономного МДП-генератора используется модель системы регулирования, построенная на базе аппарата нечеткой логики (FUZZY-логика), в качестве которой используется система нечеткого вывода [46,48, 142].
Разработана двухканальная САР стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения автономного МДП-генератора, построенная на базе аппарата нечеткой логики (рис. 4.2). Первый канал САР содержит внешний контур регулирования частоты напряжения с FUZZY-регулятором частоты напряжения и подчиненным ему контуром активного тока ротора. Второй канал содержит внешний контур регулирования амплитуды напряжения с FUZZY-регулятором амплитуды напряжения, которому подчинен контур реактивного тока ротора. Левая часть структурной схемы соответствует САР МДП-генератора, центральная представляет собой модель МДП-генератора, а правая является моделью электрической нагрузки.
Компенсация ЭДС вращения в САР с FUZZY-регуляторами выполнена аналогично варианту, рассмотренному в главе 3 (рис. 3.3). Благодаря компенсации перекрестных связей по ЭДС вращения [68] каналы регулирования амплитуды и частоты напряжения МДП-генератора рассмотрены как независимые, что значительно упрощает синтез структуры и параметров FUZZY-регуляторов САР.
Синтез FUZZY-регуляторов амплитуды и частоты напряжения МДП-генератора основан на использовании экспертных знаний, полученных при исследовании и разработки неадаптивной САР (глава 3). Использование экспертных знаний позволяет повысить степень автоматизации управления и поддерживать постоянно рациональную стратегию управления МДП-генератором, поскольку знания эксперта при установке параметров регуляторов описываются не в терминах дифференциальных уравнений, а в форме "если ситуация такая-то ..., то требуется сделать ..." [46,47,48, 140].
Система нечеткого вывода предназначена для преобразования значений входных переменных процесса управления в выходные переменные на основе использования правил нечетких продукции. Для этого система нечеткого вывода должна содержать базу правил нечетких продукций. База правил нечетких продукций представляет собой конечное множество нечетких правил, согласованных относительно используемых в них лингвистических переменных (ЛП) [46,48, 142].
Для построения базы правил нечетких продукций системы нечеткого вывода предварительно определяются входные и выходные ЛП. В качестве одной из входных ЛП используется амплитуда выходного напряжения МДП-генератора: /?/-"Амплитуда выходного напряжения", а в качестве второй входной ЛП - реактивная составляющая тока нагрузки МДП-генератора: / -"Реактивная составляющая тока нагрузки". В качестве выходной ЛП используется сигнал задания для регулятора реактивного тока ротора МДП-генератора: / - "Сигнал задания для регулятора тока".
Система нечеткого вывода будет содержать 11 правил нечетких продукций. Число правил нечетких продукций системы нечеткого вывода определяется количеством комбинаций между термами входных и выходных ЛП, необходимых для получения требуемых переходных характеристик в контуре регулирования амплитуды напряжения МДП-генератора.
Синтез FUZZY-регулятора амплитуды напряжения
Проведенный комплекс исследований расширяет представление о стационарных и динамических процессах автономного МДП-генератора. Диссертация продолжает изучение МДП как объекта генерирования электроэнергии. В работе представлен ряд новых положений, касающихся: влияния секционированности ИРМ и диапазона изменения частоты вращения вала МДП-генератора на установленную мощность преобразователя частоты; разработки математической модели динамических режимов автономного МДП-генератора; синтеза САР автономного МДП-генератора (с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами).
В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты: 1. Определен состав и установленная мощность элементов оборудования автономного МДП-генератора, работающего при переменной скорости вращения вала. Выбор элементов оборудования проведен исходя из условия максимального использования АГ по активной мощности, когда фаза тока ротора (р2 = 0, учитывая при этом возможности фазового регулирования сетевого тока ПЧ (фпч)- Использование ПЧ с ШИМ позволяет не только минимизировать мощность секционированного ИРМ, но и полностью исключить его из состава элементов оборудования, обеспечивая при этом необходимый баланс мощностей в системе "автономный МДП-генератор -нагрузка", а, следовательно, и стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии. Отметим, что при этом необходимо завысить мощность ПЧ. 2. Обосновано влияние количества секций ИРМ (п) в составе автономного МДП-генератора на установленную мощность ПЧ (Snq). С увеличением п уменьшается Эпч- Например, для МДП-генератора мощностью 160 кВт при увеличении количества секций ИРМ от двух до четырех Бпч уменьшается в среднем на 10-12 %. 3. Проведен анализ основных энергетических показателей автономного МДП-генератора в зависимости от числа секций ИРМ, диапазона изменения частоты вращения вала, величины и характера нагрузки. Показано влияние количества секций ИРМ в составе оборудования автономного МДП-генератора на КПД и коэффициент нелинейных искажений напряжения (Кт). С увеличением количества секций ИРМ от одной до четырех КПД увеличивается на 0,3 - 0,5 %, а А"Ни на 0,5 - 1,5 %. КПД при использовании ИРМ выше в среднем на 0,5 - 1 %, а Кт ниже на 3,5 - 4 %, чем без ИРМ. 4. Определены экономические показатели (чистый дисконтированный доход в течение установленного периода эксплуатации и период окупаемости) вариантов ВГУ на основе МДП-генератора с различным составом элементов оборудования. Вариант ВГУ без ИРМ является наиболее выгодным, т.к. за счет меньшей стоимости выработки 1 квар-ч снижаются суммарные капитальные затраты. Благодаря этому данный вариант обладает меньшим сроком окупаемости (Т0щ = 21 мес.) и более высоким ЧДД = 3 380 000 руб. по сравнению с вариантами ВГУ при использовании ИРМ. 5. Разработана математическая модель динамических режимов автономного МДП-генератора при переменных значениях скорости вращения вала, величины и характера нагрузки. Для рассматриваемой модели синтезированы САР стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения с неадаптивными регуляторами и FUZZY-регуляторами во внешних контурах регулирования амплитуды и частоты напряжения и эталонной моделью во внутреннем контуре активного (реактивного) тока ротора. 6. Сравнительный анализ динамических режимов автономного МДП-генератора с FUZZY-регуляторами и с неадаптивными регуляторами показал: - использование рассмотренных типов регуляторов обеспечивает требуемую стабилизацию амплитуды U\ и частоты /І генерируемого напряжения; - применение FUZZY-регуляторов уменьшает время переходного процесса и время регулирования в среднем в 1,5 - 2 раза, по сравнению с использованием неадаптивных регуляторов и придает САР инвариантность к изменениям параметров МДП-генератора и внешних возмущений (частота вращения вала, величина и характер электрической нагрузки). 7. Результаты выполненных исследований использованы при разработке концепции развития судовых ВГУ в ОАО «Нижегородский порт» (г. Нижний Новгород), создании экспериментальной установки мощностью 5,5 кВт в научно-исследовательской лаборатории «Электроприводы переменного тока» кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок» Нижегородский государственный технический университет (НГТУ), а также в учебном процессе в виде инженерных методик расчета МДП-генераторов и МДП-приводов в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г. Нижний Новгород) и НГТУ.
