Введение к работе
Актуальность темы. Энергосбережение является одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира и сводится, как правило, к повышению энергоэффективности и снижению энергоемкости производства. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что основная составляющая потерь приходится на сферу потребления. Одним из основных потребителей электрической энергии во всем мире является электропривод (ЭП). При этом следует отметить, что в каждом конкретном случае необходимо принимать конкретные решения по оптимизации существующих производств, разработке новых технологий с целью повышения энергосбережения.
Во всем мире массово используют электроприводы малой мощности: в электрифицированном инструменте, специальном строительном оборудовании, медицинской и сложной бытовой технике. Характерным фактором, делающим тему исследования особенно актуальной является то, что КПД двигателей малой мощности составляет от 30 до 60%, оставляя сравнительно большие возможности для его повышения, особенно в регулируемом электроприводе, а, следовательно, имеется значительный резерв экономии электроэнергии по сравнению с промышленными электроприводами.
Следует отметить, что в настоящее время достаточно мало внимания уделяется построению энергоэффективных систем управления электроприводами малой мощности, вследствие, незначительности эффекта энергосбережения в единичном случае и дешевизны таких приводов. Поэтому вопрос энергосберегающего управления таким электроприводом недостаточно исследован в настоящее время, в то время как, с точки зрения математического описания, однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения, который в основном используется в массовом электроприводе малой мощности, является достаточно сложным объектом, вследствие наличия нелинейностей и отчасти непредсказуемой нагрузки на валу двигателя.
Вопросам теории и практики улучшения энергетических показателей электроприводов, в том числе с однофазным коллекторным двигателем последовательного возбуждения (ОКД), были посвящены работы, выполненные рядом ученых: Климовым В.П., Ильинским Н.Ф., Каганом В.Г., Лебедевым Г.В., Малининым Л.И., Суздорфом В.И., Алехиным А.Е., Петровым Ю.П., Беллманом М.Х., Fujimaki Т., Dubey G.K. и др. авторами.
В разработке теории и практики построения систем отвечающих принципам оптимальности с точки зрения минимума потерь, функционального и структурного синтеза систем электропривода, участвовали
многие специалисты: Башарин А.В., Козярук А.Е., Нуждин В.Н., Сле-жановский О.В., Власьевский СВ., Соколовский Г.Г. и другие.
Основными проблемами в разработке энергоэффективных систем электропривода с ОКД являются: нелинейная зависимость электромагнитных процессов от скорости и ее влияние на энергетический КПД, а также нелинейные статические характеристики двигателя, требующие новых решений по формированию их заданных функциональных свойств (стабилизация скорости, ограничение момента и др.).
С учетом вышеизложенного возникает необходимость разработки новых функциональных, алгоритмических и технических решений по оптимизации энергетических и статических характеристик, обеспечивающих высокое качество регулирования с учетом трудно формализуемых требований к сложности системы, ее массогабаритным показателям и стоимости, что делает такую разработку актуальной.
Объектом исследования является электропривод на базе однофазного коллекторного двигателя для массового потребления.
Предметом исследования являются оптимальные по критерию минимума потерь функциональные зависимости переменных движения, алгоритмы управления и техническая реализация требуемых характеристик электропривода.
Целью работы является функциональный синтез системы электропривода на основе критерия минимума потерь, создание способов и устройств управления электропривода с ОКД, основанных на алгоритмах оптимальных, с точки зрения энергоэффективности, управлений для достижения требуемых статических и динамических характеристик ЭП и поддержания динамического КПД на максимальном уровне.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
функциональный синтез системы электропривода на основе критерия минимума потерь;
разработка математического описания электромагнитных процессов в ОКД с учетом найденных функциональных зависимостей;
синтез структуры электропривода с нелинейными обратными связями, обеспечивающими компенсацию возмущений;
разработка устройств управления ЭП с ОКД, основанных на алгоритмах оптимальных, с точки зрения энергоэффективности, управлений для достижения требуемых статических и динамических характеристик ЭП и поддержания максимального динамического КПД;
проверка эффективности разработанных систем с помощью моделирования и экспериментальных исследований.
Методика исследования. Научные исследования в диссертационной работе основывались на применении методов теории электромеханического преобразования энергии, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления. При решении задач исследования дина-
мических режимов систем, определения структуры и параметров предложенных моделей использовались методы цифрового моделирования, на основе пакета Matlab/SimPowerSystems. Экспериментальные исследования проводились на изготовленных автором макетных образцах.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждена их соответствием законам физики, теории электрических машин, электропривода, корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, применением широко апробированных методов оптимизации
Научная новизна работы заключается в следующем:
Обоснованы теоретические условия обеспечения энергоэффективности и синтезированы практические алгоритмы управления электроприводом малой мощности с ОКД с точки зрения минимума потерь, содержащие новые положения, связанные с контролем постоянной времени ОКД.
Разработаны предложения по проектированию энергоэффективных систем электропривода с ОКД по материалам исследований особенностей формирования статических и динамических характеристик с учетом критерия минимума потерь.
Предложены новые технические решения стабилизации скорости и коррекции динамики ОКД.
Основные положения, выносимые на защиту:
разработанные структуры электропривода с ОКД с нелинейными обратными связями, обеспечивающие новые функциональные свойства;
математические модели электропривода с ОКД с нелинейными обратными связями;
алгоритмы оптимального управления электроприводами с ОКД с точки зрения энергоэффективности;
результаты модельного и физического исследования влияния структуры системы и законов управления на энергоэффективность электропривода с ОКД.
Практическая ценность работы:
— предложены пути реализации новых функциональных свойств
устройств и приборов и повышения энергетических показателей электро
привода. Результаты исследований позволяют повысить качество ручного
электрифицированного инструмента, бытовых машин и приборов, слож
ной бытовой техники, могут использоваться при разработке отечественных
устройств с улучшенными энергетическими показателями, повышая их
конкурентоспособность;
— даны рекомендации по инженерной методике расчета структуры и
параметров электропривода в различных вариантах практического исполь
зования.
Реализация работы осуществлена в рамках научного направления кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»: энергосбережение и энергоэффективность. Результаты работы переданы в форме технической документации и методик расчетов на ОАО «Амурский судостроительный завод», г. Комсомольск-на-Амуре для использования при разработке, и модернизации ручного электрифицированного инструмента. Результаты работы внедрены в учебный процесс на электротехническом факультете КнАГТУ по направлению 140400 - «Электроэнергетика и электротехника».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, форумах и конкурсах:
40-я и 41-я научно-технические конференции студентов и аспирантов КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, 2010-2011 г.г.
Международная научно-техническая конференция «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре, 21-22 октября 2010 года) в рамках Международного симпозиума «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»;
Региональная итоговая конференция по программе У.М.Н.И.К. -
2010, ноябрь 2010 г.
Всероссийский круглый стол «Роль молодежи в решении задач повышения энергоэффективности и энергосбережения» в рамках Ярославского энергетического форума, 1-3 декабря 2010 г.
Хабаровский краевой молодежный инновационный конвент 2011, апрель 2011;
Всероссийский молодежный образовательный форум «Селигер-2011», 1-8 июля 2011г.;
Школа молодых ученых Хабаровского края - 2011, август 2011;
Всероссийский круглый стол «Роль молодежи в решении задач повышения энергоэффективности и энергосбережения» в рамках Ярославского энергетического форума, 5-7 октября 2011 г.
Региональная итоговая конференция по программе У.М.Н.И.К. -
2011, ноябрь 2011;
Научная школа «Капитализация знаний в условиях социально-ориентированной экономики» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, Тула, 18-19 ноября, 2011 г.
XIV Конкурс молодых ученых и аспирантов Хабаровского края, январь 2012 г.
Научно-техническое расширенное заседание кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», г. Комсомольск-на-Амуре, ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2012 г.
Публикации. По результатам исследований, отраженных в диссертации, опубликовано 12 работ, из них 11 - научные статьи и тезисы докладов, включая 1 статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ, а также патент на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 149 страницах, в том числе 82 рисунка и 5 таблиц. Автореферат полностью отражает содержание диссертации. Материалы диссертации достаточно полно опубликованы в 12 работах, в том числе в 1 издании рекомендованном ВАК РФ, а также патент на изобретение. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы» в области исследований: «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления».
