Содержание к диссертации
Введение 10
Глава 1. Развитие теории энергоэффективных регулируемых электроприводов (аналитический обзор) 25
1.1. Введение 25
1.2. Оптимизация режимов асинхронных двигателей 27
1.3. Оптимизация режимов синхронных двигателей 47
1.4. Оптимизация режимов асинхронизированных синхронных двигателей 52
1.5. Оптимизация режимов вентильных двигателей 58
1.6. Оптимизация режимов коллекторных двигателей постоянного тока 59
1.7. Целесообразные режимы работы двигателей 61
1.8. Задачи и концепция комплексного исследования энергоэффективных режимов электроприводов 65
Глава 2. Математические модели электрических машин и преобразователей 71
2.1. Метод описания математических моделей электрических машин как объектов управления 71
2.2. Математические модели машин переменного тока
2.2.1. Модель обобщенной машины переменного тока 87
2.2.2. Модели асинхронной машины с короткозамкнутым ротором 93
2.2.3. Модели синхронной машины с продольно-поперечным электромагнитным возбуждением 96
2.2.4. Модели синхронной машины с продольным электромагнитным возбуждением 104
2.3. Математические модели машин постоянного тока 109
2.3.1. Уравнения обобщенной модели машины постоянного тока 109
2.3.2. Модель вентильной машины с компенсационной и демпферной обмотками 111
2.3.3. Модель некомпенсированной вентильной машины 119
2.3.4. Модель коллекторной машины постоянного тока 121
2.4. Особенности учета насыщения магнитной цепи в математических моделях электрических машин как объектов управления 127
2.4.1. Основные допущения 127
2.4.2. Учет насыщения главной магнитной цепи в моделях явнополюсных машин 129
2.4.3. Учет насыщения главной магнитной цепи в моделях неявнополюсных машин 135
2.5. Математические модели вентильных преобразователей 138
2.5.1. Основные типы полупроводниковых преобразователей для питания электрических двигателей 138
2.5.2. Уравнения преобразователей частоты с АИН 143
2.5.3. Уравнения преобразователей частоты с АИТ 147
2.5.4. Уравнения преобразователя частоты с непосредственной связью 149
2.6. Основные результаты 150
Глава 3. Обобщенная постановка задачи оптимизации режимов регулируемых электроприводов 152
3.1. Формализация технологической задачи 152
3.2. Обобщенная модель силовой части электропривода 154
3.3. Условия выполнения технологической задачи электроприводом 157
3.4. Постановка задач оптимизации установившихся режимов работы электропривода 158
3.5. Особенности задач оптимизации режимов работы электропривода 164
3.6. Примеры преобразования математических моделей и постановок задач оптимизации к минимальной размерности по управлению 170
3.7. Классификация моделей электрических двигателей по числу степеней свободы и размерности вектора управлений 173
3.8. Основные результаты 175
Глава 4. Характеристики электрических двигателей и преобразователей как объектов оптимизации 177
4.1. Обобщенная проблемно-ориентированная модель электропривода 177
4.2. Обобщенная машина переменного тока как объект экстремального управления 1
4.2.1. Уравнения установившегося режима обобщенной машины переменного тока 179
4.2.2. Модели обобщенной машины переменного тока для задач оптимизации 180
4.2.3. Функции качества обобщенной машины переменного тока 187
4.2.4. Анализ функций качества обобщенной машины переменного тока 189
4.3. Асинхронизированный синхронный двигатель как объект экстремального управления 192
4.3.1. Модели асинхронизированного синхронного двигателя
для задач оптимизации 192
4.3.2. Характеристики асинхронизированного синхронного двигателя 195
4.4. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором как объект
экстремального управления 197
4.4.1. Модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором для задач оптимизации 197
4.4.2. Функции качества и характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 199
4.5. Синхронные двигатели как объекты экстремального управления 201
4.5.1. Уравнения установившегося режима синхронного двигателя с продольно-поперечным электромагнитным возбуждением 201
4.5.2. Модели синхронного двигателя с продольно-поперечным электромагнитным возбуждением для задач оптимизации 202
4.5.3. Функции качества синхронного двигателя с продольно-поперечным электромагнитным возбуждением 203
4.5.4. Анализ характеристик синхронного двигателя с продольно-поперечным электромагнитным возбуждением 204
4.5.5. Модели синхронного двигателя с продольным электромагнитным возбуждением для задач оптимизации 207
4.5.6. Анализ характеристик синхронного двигателя с продольным электромагнитным возбуждением 209
4.6. Вентильные двигатели как объекты экстремального управления 211
4.6.1. Модели вентильного двигателя с произвольной степенью компенсации реакции якоря 211
4.6.2. Функции качества вентильного двигателя с произвольной степенью компенсации реакции якоря 214
4.6.3. Характеристики вентильного двигателя с произвольной степенью компенсации реакции якоря 215
4.7. Коллекторные двигатели постоянного тока как объекты экстремального управления 219
4.7.1. Модель обобщенного коллекторного двигателя постоянного тока для задач управления 219
4.7.2. Функции качества коллекторного двигателя постоянного тока 221
4.7.3. Модель компенсированного двигателя постоянного тока 222
4.7.4. Характеристики компенсированного двигателя постоянного тока 223
4.8. Энергетические характеристики преобразователей частоты 225
4.9. Основные результаты 234
Глава 5. Математические аспекты решения задач оптимизации
режимов электрических двигателей 237
5.1. Общие положения и типы задач оптимизации режимов электрических двигателей 237
5.2. Выбор методов решения задач оптимизации режимов двигателей 2
5.2.1. Задачи оптимизации при отсутствии ограничений на управляющие воздействия 240
5.2.2. Выбор метода решения задач оптимизации с ограничениями 2
5.3. Выбор критериев оптимизации и ограничений 247
5.4. Оптимизация режимов обобщенной машины переменного тока 249
5.4.1. Задача минимизации потерь энергии без ограничений 250
5.4.2. Задача минимизации потерь энергии при постоянном потоке 255
5.4.3. Задача минимизации потерь энергии с ограничением реактивной мощности 258
5.4.4. Задача минимизации потерь энергии при постоянном потоке и ограничении реактивной мощности 259
5.5. Оптимизация режимов асинхронизированного двигателя 259
5.5.1. Задача минимизации потерь энергии без ограничений 260
5.5.2. Задача минимизации потерь энергии при отсутствии потребления реактивной мощности статора 264
5.6. Оптимизация режимов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 265
5.6.1. Задача минимизации потерь энергии на безусловный экстремум 266
5.6.2. Задача минимизации тока статора на безусловный экстремум 269
5.6.3. Экстремальное управление моментом асинхронного двигателя при ограничении напряжения и тока статора 270
5.7. Оптимизация режимов синхронного двигателя с продольно поперечным электромагнитным возбуждением 274
5.7.1. Задача минимизации потерь энергии без ограничений 274
5.7.2. Задача минимизации потерь энергии при постоянном потоке 278
5.7.3. Задача минимизации тока статора при постоянном потоке 280
5.8. Оптимизация режимов синхронного двигателя с продольным электромагнитным возбуждением 282
5.8.1. Задача минимизации потерь энергии без ограничений 282
5.8.2. Задача минимизации потерь энергии при постоянном потоке 285
5.8.3. Задача минимизации тока статора при постоянном потоке 287
5.9. Оптимизация режимов вентильных двигателей 288
5.9.1. Задача минимизации потерь энергии компенсированного вентильного двигателя 289
5.9.2. Задача минимизации потерь энергии при постоянном потоке компенсированного вентильного двигателя 294
5.10. Основные результаты 295
Глава 6. Энергетическая эффективность оптимизации режимов электрических двигателей 298
6.1. Исходные положения 298
6.2. Энергетическая эффективность оптимизации режимов обобщенной машины переменного тока 3
6.2.1. Сравнительная оценка эффективности оптимизации режимов двигателя по минимуму потерь энергии 302
6.2.2. Сравнительная оценка эффективности оптимизации режимов двигателя по минимуму тока 3 6.3. Энергетическая эффективность оптимизации режимов асинхронизированного двигателя 306
6.4. Энергетическая эффективность оптимизации режимов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 3
6.4.1. Сравнительная оценка эффективности режима минимальных потерь энергии 306
6.4.2. Сравнительная оценка эффективности режима минимального тока статора 309
6.4.3. Эффективность экстремального управления моментом асинхронного двигателя 309
6.5. Энергетическая эффективность оптимизации режимов синхронных двигателей с электромагнитным возбуждением 314
6.5.1. Эффективность режима минимальных потерь энергии 314
6.5.2. Эффективность режима минимального тока якоря 3
6.6. Энергетическая эффективность оптимизации режимов вентильных двигателей 317
6.7. Оценка режимов двигателей по энергетическому критерию эффективности 318
6.8. Габаритная мощность преобразователей 320
6.9. Основные результаты 322
Глава 7. Реализация энергоэффективных режимов в регулируемых электроприводах 326
7.1. Введение 326
7.2. Системы управления обобщенной машиной переменного тока 327
7.2.1. Принципы реализации энергоэффективных режимов 327
7.2.2. Системы управления обобщенной машиной переменного тока с оптимизацией режимов при постоянном потоке 336
7.3. Системы управления асинхронизированным синхронным двигателем 338
7.3.1. Принципы построения систем управления электроприводов 338
7.3.2. Особенности реализации оптимальных режимов 341
7.4. Системы управления асинхронных электроприводов 346
7.4.1. Реализация оптимальных режимов в скалярных системах управления 346
7.4.2. Векторные системы управления асинхронных электроприводов при комплексной оптимизации режимов двигателя 356
7.4.3. Идентификация параметров асинхронного двигателя в системах векторного управления с ориентацией поля ротора 361
7.5. Системы управления синхронных электроприводов 370
7.5.1. Реализация оптимальных режимов синхронных двигателей с электромагнитным возбуждением 370
7.5.2. Алгоритмы управления синхронными двигателями при постоянстве потока 374
7.6. Системы управления электроприводов с вентильными двигателями 377
7.7. Основные результаты 380
Глава 8. Математическое моделирование процессов оптимизированных электроприводов 384
8.1. Введение 384
8.2. Концептуальная модель оптимизированного электропривода 384
8.3. Математические модели оптимизированных электроприводов...3
8.3.1. Математическая модель электропривода с обобщенной машиной переменного тока 386
8.3.2. Математическая модель электропривода с асинхронизированным двигателем 388
8.3.3. Математическая модель асинхронного электропривода 391
8.3.4. Математическая модель синхронного электропривода 392
8.3.5. Математическая модель электропривода по схеме вентильного двигателя 3 8.4. Подход к моделированию и выбор программных средств вычислительной техники 396
8.5. Динамика оптимизированных электроприводов 397
8.6. Энергетика оптимизированных электроприводов 409 8.7. Основные результаты 422
Глава 9. Экспериментальное исследование энергоэффективных режимов асинхронных двигателей и оптимизированных электроприводов 426
9.1. Задачи экспериментального исследования 426
9.2. Экспериментальное исследование асинхронного двигателя как объекта экстремального управления 427
9.2.1. Описание экспериментальной установки 427
9.2.2. Методика определения базового режима двигателя 429
9.2.3. Методика снятия экстремальных характеристик 4
9.3. Экспериментальное исследование режима асинхронного двигателя по минимуму тока статора 445
9.4. Методика снятия экстремальных характеристик асинхронного двигателя в динамических режимах 448
9.5. Экспериментальное исследование электропривода при комплексной оптимизации 4
9.5.1. Описание экспериментальной установки 456
9.5.2. Исследование статических механических характеристик электропривода 459
9.5.3. Оценка эффективности комплексной оптимизации режимов двигателя 461
9.6. Основные результаты 463
Заключение 466
Список литературы 471
Приложения 4
Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопросы энергоэффективности являются приоритетными практически для всех стран мира. Для России они особенно актуальны, поскольку структура ее экономики характеризуется высокой долей энергоемких производств. В этой связи в нашей стране принят ряд законодательных актов (закон Российской Федерации от 3.04.1996 за № 28-ФЗ «Об энергосбережении» и указ Президента России от 4.06.2008 за № 889 «О некоторых мерах повышения энергетической и экологической эффективности российской экономики»), направленных на повышение эффективности использования энергетических ресурсов.
Важную роль в деятельности современного общества — от сферы промышленного производства до сферы быта играет электромеханическое преобразование энергии, осуществляемое электроприводом. Известно, что электропривод является крупнейшим потребителем электрической энергии. На него приходится более 65% вырабатываемой электроэнергии. Регулируемые электроприводы составляют сегодня около 10 %. Основная тенденция в мировой практике — переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому там, где традиционно применялся нерегулируемый электропривод. Специалисты считают, что регулируемый электропривод необходим в 50 % всех случаев использования электропривода. Именно поэтому на эффективность регулируемого электропривода обращено главное внимание отечественных и зарубежных специалистов, работающих в сфере энергосбережения, что нашло отражение в многочисленных публикациях и докладах на научно-технических конференциях [9, 14-16, 23, 24, 26, 27, 36, 41, 45, 50, 53, 54, 56, 59, 61, 84-86, 87, 89-94, 108, 113, 114, 127, 131, 139, 201, 246, 264, 270, 278 и др.]. Отсюда следует актуальность задачи повышения энергетической эффективности регулируемого электропривода.
В процессе исторического развития регулируемый электропривод достиг высокого совершенства. Он позволяет формировать необходимые механические характеристики и переходные процессы, удовлетворяющие самым разнообразным технологическим задачам. Однако в настоящее время всё большую актуальность приобретают вопросы энергетики, включающие повышение коэффициента полезного действия, регулирование реактивной мощности, обеспечение электромагнитной совместимости с нагрузкой и сетью. Эти вопросы также решаются благодаря успехам в области электромашиностроения [14-16, 129, 130, 146, 224], полупроводниковой техники [9, 58, 63, 73, 75, 99, 108, 201, 225] и микропроцессорных средств управления [85, 101]. Тем не менее, анализ проблемы показывает, что как в традиционных, так и в современных электроприводах существуют до сих пор недоиспользованные резервы повышения энергетической эффективности электромеханического преобразования энергии. Это связано с тем, что по ряду практических соображений в них реализуются в большинстве случаев режимы работы двигателей с постоянством магнитного потока. Регулирование потока используется главным образом в двухзонных системах, т. е. в функции скорости. Наиболее полно возможности повышения эффективности электромеханического преобразования энергии можно обеспечить путем оптимизации режимов работы двигателей при регулировании потока как в функции скорости, так и электромагнитного момента. Разумеется, при этом следует сохранять электромеханические статические и динамические характеристики электропривода, необходимые для решения основной технологической задачи. По нашему мнению, задачу оптимизации электропривода следует рассматривать как наилучшее решение технологической задачи. При такой постановке возникает ряд проблем, таких как разработка концепции, задач оптимизации, математических моделей, алгоритмов управления, реализующих энергоэффективные режимы регулируемых электроприводов. Решению этих проблем посвящена диссертационная работа.
Диссертация выполнялась в рамках научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по приоритетному направлению науки и техники: Топливо и энергетика.
Объект исследования — регулируемые электроприводы с различными типами двигателей и полупроводниковых преобразователей. Предмет исследования - режимы работы регулируемых электроприводов, отвечающие критерию энергетической эффективности.
Методологической основой диссертационной работы служат исследования, выполненные профессорами A.M. Вейнгером и Р.Т. Шрейнером в области оптимизации режимов синхронных и асинхронных двигателей соответственно.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является теоретическое обобщение и развитие научного направления по формированию энергетически эффективных режимов регулируемых электроприводов.
Этой целью определяются следующие основные задачи исследования.
1. Разработка концепции, определяющей ключевые положения научного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов.
2. Формирование требований к отбору и создание базы универсальных математических моделей силовой части электропривода для использования их в качестве отправных моделей при решении задач оптимизации, исследовании статики и динамики, синтезе структур САУ и алгоритмов управления энергоэффективными электроприводами.
3. Формулировка обобщенной постановки задачи оптимизации регулируемых электроприводов как наилучшего (в энергетическом смысле) решения технологической задачи. Анализ ее особенностей и выбор метода решения.
4. Разработка проблемно-ориентированных моделей двигателей и преобразователей в целях упрощения решения задач оптимизации, изучения и сравнительного анализа свойств электроприводов с позиций энергетической эффективности электромеханического преобразования.
5. Трансформация обобщенной постановки задачи оптимизации на основе проблемно-ориентированных моделей, анализ особенностей ее решения численными методами. Постановка и решение задач оптимизации основных типов двигателей.
6. Разработка метода оценки и проведение сравнительного анализа энергетической эффективности режимов управления электроприводами на основе критерия эффективности. 7. Разработка прикладных аспектов теории энергоэффективных регулируемых электроприводов. Выбор принципов реализации энергоэффективных режимов и рациональных структур оптимизированных систем управления электроприводов. Математическое моделирование динамических и энергетических процессов электроприводов с энергоэффективными режимами управления.
8. Экспериментальное исследование энергоэффективных режимов асинхронных двигателей и оптимизированных регулируемых асинхронных электроприводов.
Методы исследования. В работе использовались методы теоретического и экспериментального исследования. В теоретическом исследовании применялись методы теории электрических машин, теории электропривода и полупроводниковых преобразователей, теории систем управления, теории экстремального управления, теории эффективности и методы математического моделирования на цифровых вычислительных машинах.
Метод экспериментального исследования использовался для получения исходных данных, проверки и уточнения результатов теоретического анализа, а также оценки эффективности оптимизированных регулируемых электроприводов. Экспериментальные исследования проводились на математических моделях и лабораторных стендах.
Достоверность полученных результатов. Достоверность научных результатов определяется корректностью постановок задач, обоснованностью принятых допущений, использованием апробированных математических и численных методов, а также экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов при достаточном для инженерной практики совпадении результатов аналитического анализа, компьютерного моделирования и физического эксперимента.
Научные результаты и новизна работы заключаются в следующем.
1. На основе анализа существующей теории оптимизации режимов различных типов электроприводов разработана концепция комплексного исследования энергетической эффективности регулируемых электроприводов, ключевыми положениями которой являются: 1) задача оптимизации электроприводов рассматривается как наилучшее (в энергетическом смысле) решение технологической задачи при ограниченных ресурсах силовой части; 2) определяющими факторами эффективности электропривода как электромеханического преобразователя энергии полагаются тип двигателя, способ регулирования скорости (положения) и режим управления магнитным потоком при соблюдении условий технологической задачи; 3) для комплексного анализа этих факторов создается база универсальных моделей различных типов двигателей и преобразователей, построенных на основе единства подхода, уровня допущений и математического аппарата описания; 4) упрощение решения задач оптимизации достигается переходом от универсальных к специально разработанным проблемно-ориентированным моделям силовой части электропривода; 5) реализация режима управления электроприводом производится на основе критерия энергетической эффективности.
Реализация данной концепции позволяет получить более полные знания о резервах управления электромеханическим преобразованием энергии с целью повышения энергетической эффективности регулируемых электроприводов, расширяет представление об энергоэффективных режимах регулируемых электроприводов - свойствах, энергетическом эффекте, способах практической реализации и области их использования.
2. Для реализации концепции дано теоретическое обоснование подхода к описанию моделей силовой части электропривода, отвечающих требованиям достоверности решения задач оптимизации статических и динамических режимов. На основе этого подхода создана база универсальных моделей двигателей и преобразователей. Для исследований отобраны модели обобщенной машины переменного тока, асинхронизированного синхронного двигателя, асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, неявнополюсных и явнополюсных синхронных двигателей с продольно-поперечным и поперечным электромагнитным возбуждением. Разработаны модели компенсированных и некомпенсированных вентильных и коллекторных двигателей постоянного тока. Разработаны алгоритмы решения уравнений связи нелинейных электромагнитных контуров методом локальных характеристик намагничивания. С учетом требований к преобразователям разработаны модели основных типов двухзвенных преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения (тока).
База универсальных моделей создана на основе единого подхода к выбору метода построения, математического аппарата и уровня допущений, что позволяет сопоставлять возможности разных типов двигателей в отношении управления энергетическими процессами.
3. Разработана обобщенная постановка задачи комплексной оптимизации электроприводов, для которых превалирующими являются статические режимы работы. В ней учитываются два практически важных аспекта - выявление максимально достижимых границ рабочей области функционирования электропривода в координатах «момент—скорость» при соблюдении ограничений на ресурсы силовой части и постановка задачи оптимизации режимов электропривода внутри рабочей области по энергетическому критерию. В рамках обобщенной постановки задачи комплексной оптимизации выявлены ее особенности и требования к моделям силовой части как объектов оптимизации, а также создана классификация моделей двигателей по числу степеней свободы и размерности варьируемого вектора управлений.
4. Для решения задач оптимизации обоснована целесообразность перехода от универсальных к проблемно-ориентированным моделям силовой части электропривода. Разработан принцип построения проблемно-ориентированных моделей, упрощающий учет технологической задачи и упорядоченный полный перебор возможных режимов работы электропривода при минимальном числе свободно варьируемых управляющих воздействий. Согласно предложенному принципу проблемно-ориентированная модель представляется в виде совокупности электромеханической и энергетической моделей с преобразованным вектором управляющих воздействий. Использование этого принципа позволяет получить ряд существенных преимуществ: 1) процессы построения электромеханической и энергетической моделей становятся независимыми друг от друга и менее трудоемкими; 2) снимаются ограничения на сложность энергетической модели; 3) систематизируется процесс формирования состава внешних воздействий модели; 4) раскрывается значение ориентации системы координат при разработке модели двигателя как объекта оптимизации; 5) сохраняется возможность использования изображающих векторов (векторных диаграмм) при геометрической интерпретации оптимальных режимов насыщенных двигателей и др. На базе этого принципа создана классификация проблемно-ориентированных моделей двигателей по сочетанию независимых внешних воздействий и характеру решения задач оптимизации. Разработаны проблемно-ориентированные модели основных типов двигателей, для каждого из которых обоснован состав вектора варьируемых управлений. Выявлены свойства экстремальных характеристик двигателей, необходимые для выбора методов решения задач оптимизации.
5. По результатам проведенных исследований функций качества установлены общие свойства двигателей как объектов экстремального управления,. позволившие трансформировать обобщенную постановку задачи комплексной оптимизации на основе проблемно-ориентированных моделей силовой части. Разработана общая постановка задачи оптимизации на основе проблемно-ориентированных моделей, отличающаяся учетом технологической задачи и ограничений.
Разработаны постановки и проанализированы решения типичных задач оптимизации режимов двигателей: 1) безусловной оптимизации по минимуму потерь (тока); 2) по минимуму потерь (тока) при постоянстве потока; 3) по минимуму потерь (тока) при постоянстве потребляемой реактивной мощности; 4) по минимуму потерь (тока) при постоянстве потока и потребляемой реактивной мощности; 5) по максимуму момента при ограничении напряжения и тока преобразователя; 6) комплексной оптимизации. Для этих задач обоснованы функции качества. Выявлен характер поведения функций качества по отдельным направлениям допустимого пространства управлений и в целом их поверхностей. В результате решения типичных задач раскрыты свойства законов оптимального управления основными типами двигателей, что дало возможность установить общую картину и предпосылки их реализации в современных регулируемых электроприводах.
6. Разработан метод оценки энергетической эффективности режимов управления электроприводами с использованием теории эффективности. С помощью этого метода выявлена степень энергетического эффекта, получаемого в результате оптимизации режимов основных типов двигателей по различным критериям качества. Выявлена роль преобразователей и возможность влияния через законы управления двигателями на энергетические показатели качества и габаритную мощность преобразователей. Уставлены условия, при которых габаритная мощность преобразователей будет минимальна.
7. В прикладном аспекте теории энергоэффективных регулируемых электроприводов обоснована целесообразность использования структур САУ с подчиненным регулированием координат для реализации энергоэффективных режимов управления с введением в их состав оптимизатора режимов. Разработаны структуры и алгоритмы оптимизаторов режимов для векторных и скалярных САУ электроприводов с возможностью введения в реальном времени коррекции энергоэффективных режимов управления при параметрических возмущениях и решения задачи комплексной оптимизации.
8. Методом математического моделирования оптимизированных по различным критериям качества основных типов САУ электроприводов с подчиненным регулированием координат установлен энергетический эффект от использования статических законов оптимального управления в электроприводах, выполняющих заданную технологическую задачу, предусматривающую пуско-тормозные процессы, набросы и сбросы нагрузки. Доказана эффективность комплексной оптимизации режимов двигателей. Разработан комплекс методик экспериментального исследования оптимальных статических и динамических режимов асинхронного двигателя в системах частотно-регулируемых электроприводов.
Практическая ценность полученных результатов.
1. Реализация разработанной концепции комплексного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов способствует экономии энергетических ресурсов при обеспечении ими заданных технологических процессов, т. е. решению практически важной задачи энерго- и ресурсосбережения.
2. Теоретически обоснованные условия, влияющие на выбор оптимального решения, полученные результаты сравнительной оценки эффективности законов управления, выявленные свойства энергоэффективных законов управления и сформулированные рекомендации по их использованию расширяют представления об энергетическом эффекте, который можно получить на практике для конкретных типов электроприводов. Разработанная теория энергоэффективных режимов позволяет найти предельные теоретически достижимые энергетические характеристики, что создает основу для выбора разумной меры приближения к оптимальным режимам регулируемых электроприводов.
3. Принципы построения, структуры и алгоритмы оптимизаторов режимов могут использоваться для повышения энергетической эффективности существующих перспективных векторных и скалярных САУ электроприводов с подчиненным регулированием координат, а также при разработке нового поколения оптимизированных по энергетическим критериям качества комплектных электроприводов с унифицированными микропроцессорными системами управления.
4. Математические модели оптимизированных САУ электроприводов пригодны для решения широкого круга проектных задач: для учета динамических свойств электроприводов при расчете мощности двигателя и преобразователя, при проверке двигателя по нагреву и перегрузке, расчете запаса по току и напряжению преобразователя, а также для оценки энергетического эффекта при выполнении электроприводом заданной технологической задачи.
5. Универсальные модели основных типов электрических двигателей и полупроводниковых преобразователей пригодны для синтеза алгоритмов регуляторов, математического моделирования и анализа процессов оптимизированных САУ электроприводов с учетом факторов достоверности теории — электромагнитных и электромеханических процессов, насыщения, явнополюсности, влияния вихревых токов и эффектов, обусловленных автономным питанием обмоток двигателей.
Реализация результатов работы.
Диссертационная работа выполнялась в ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках плановых госбюджетных научно-исследовательских работ: тема № 1803 «Разработка и исследование современных систем электропривода переменного тока с микропроцессорным управлением, оптимизированных по энергетическим показателям» (2003-2007 г.г.) и тема № 1843 «Разработка научных основ создания энергоэффективных электромеханических устройств и систем переменного тока с микропроцессорным управлением и программных средств для их исследования» (2008 г.).
Результаты диссертационной работы использованы в производственной и научно-исследовательской деятельности ОАО «СвердНИИхиммаш», ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы», ООО «ПФ Тяжпромэлектропривод-2» (г. Екатеринбург) и НИИ АЭМ ТУСУР (г. Томск) при разработке оптимизированных по энергетическим критериям качества регулируемых электроприводов различного назначения. Предложенные решения позволили повысить энергетические показатели электроприводов.
Теоретические результаты диссертации вошли в учебные пособия: [27], допущенное Учебно-методическим объединением по образованию в области энергетики и электротехники для студентов высших учебных заведений по специальности 140604 — «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», и [163], рекомендованное Учебно-методическим объединением высших и средних профессиональных учебных заведений Российской Федерации по профессионально-педагогическому образованию.
Результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе и отражены в учебных программах профилирующих дисциплин в ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Российском государственном профессионально-педагогическом университете и Новоуральском государственном технологическом университете.
На защиту выносятся:
1. Концепция комплексного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов.
2. Обоснование подхода к построению универсальных моделей электроприводов как объектов оптимизации. Алгоритм расчета магнитного состояния насыщенных двигателей. Модели вентильных и коллекторных двигателей постоянного тока и перспективных полупроводниковых преобразователей частоты для задач оптимизации.
3. Постановка обобщенной задачи комплексной оптимизации режимов электроприводов. Результаты анализа ее особенностей. Классификация электрических двигателей по числу степеней свободы и размерности варьируемого вектора управлений.
4. Принцип построения проблемно-ориентированных моделей силовой части электропривода. Проблемно-ориентированные модели различных типов электроприводов с минимальной размерностью свободно варьируемого вектора управлений. Классификация двигателей как объектов оптимизации по варианту сочетания независимых внешних воздействий и характеру решения задач оптимизации.
5. Результаты исследования характеристик различных типов двигателей и полупроводниковых преобразователей как объектов оптимизации. Постановка общей задачи оптимизации режимов двигателей на базе проблемно-ориентированных моделей.
6. Постановки и решения задач оптимизации режимов различных типов двигателей: по минимуму потерь (тока) в открытой области управлений; по минимуму потерь (тока) при постоянстве главного магнитного потока; по минимуму потерь (тока) при ограничении потребляемой реактивной мощности; по минимуму потерь (тока) при постоянстве главного магнитного потока и ограничении потребляемой реактивной мощности; по максимуму момента при ограничении напряжения и тока преобразователя; комплексной оптимизации, сочетающей решение задачи управления по минимуму потерь (тока) с задачей управления по максимуму момента при ограничении напряжения и тока преобразователя.
7. Метод оценки энергетической эффективности режимов управления регулируемых электроприводов. Результаты сравнительного анализа энергоэффективных режимов управления двигателями.
8. Принципы построения, структуры и алгоритмы оптимизаторов режимов электроприводов с системами подчиненного регулирования. Результаты математического моделирования оптимизированных САУ электроприводов.
9. Комплексная методика экспериментального исследования асинхронных двигателей как объектов оптимизации в статических и динамических режимах и оптимизированных САУ асинхронных электроприводов.
Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертации докладывались и обсуждались: на 2-ой... 13-ой научно-технических конференциях «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями» (г. Екатеринбург (г. Свердловск), 1974 - 2007 г.г.); на 3-ей Всесоюзной научно-технической конференции по электроприводу экскаваторов (г. Новый Роздол, 1985 г.); на 3...5-ОЙ Международных (14...16 Всероссийских) научно-технических конференциях по проблемам автоматизированного электропривода (г. Нижний Новгород - 2001 г., г. Магнитогорск - 2004 г., г. Санкт-Петербург - 2007 г.); на 15-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода» (Украина, Крым - 2008 г.); на 12-ой Международной конференции «Электротехника, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Украина, Крым — 2008 г.); на 1-ой Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (г. Суздаль - 1994 г.); на Международной электронной научно-технической конференции «Перспективные технологии автоматизации» (г. Вологда — 1999 г.); на Международной научно-технической конференции «Электротехника, электрические системы и комплексы» (г. Томск - 2003 г.); на Межрегиональном семинаре-выставке «Автоматизация и прогрессивные технологии» (г. Новоуральск - 1996 г.); на 2-ой Межвузовской научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии (АПТ-99)» (г. Новоуральск - 1999 г.); на 3-ей и 4-ой Межотраслевых научно-технических конференциях «Автоматизация и прогрессивные технологии (АПТ-2002 и АПТ-2005)» (г. Новоуральск - 2002 и 2005 г.г.); на Межгосударственной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала южно-уральского региона» (г. Магнитогорск, 1994 г.); на Межрегиональной научно-практической конференции по применению энергосберегающего частотно-регулируемого электропривода во всех отраслях производства и в коммунальном хозяйстве (г. Новоуральск , 2002 г.).
В полном объеме материалы диссертации докладывались и получили одобрение на расширенных заседаниях кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» и технического совета ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (г. Екатеринбург).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, в числе которых 1 монография, 2 учебных пособия, 26 статей, 16 докладов на конференциях (включая 2 зарубежных), 5 авторских свидетельств СССР на изобретения, 1 свидетельство РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ. В периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 8 статей.
Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат результаты, относящиеся к разработке теории оптимальных стационарных режимов электроприводов, в том числе разработка концепции исследования, обобщенной постановки задачи оптимизации, принципа построения проблемно-ориентированных моделей, постановок и решение задач оптимизации различных типов двигателей, разработка метода оценки энергетической эффективности режимов управления. Часть работ выполнена в соавторстве с научным консультантом кандидатской и докторской диссертаций автора, профессором Р.Т. Шрейнером. В работах, выполненных совместно с аспирантом А.А. Тараном, автор осуществлял постановки задач и научные консультации. В работах с другими соавторами, автору принадлежит ведущая роль в постановке задач исследования, обосновании математических моделей и методов решения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 495 страниц, в том числе 131 рисунок, 19 таблиц и список литературы из 312 наименований.
В первой главе дается анализ развития теории оптимизации режимов различных типов электроприводов, на основе которого выявляются факторы, определяющие достоверность, практическую ценность теоретических исследований и проблемные задачи. Формулируются ключевые положения концепции комплексного исследования энергоэффективных режимов регулируемых электроприводов.
Во второй главе излагается теоретическое обоснование подхода к описанию и формированию базы универсальных математических моделей силовой части электропривода для использования их в качестве отправных моделей при решении задач оптимизации, исследовании статики и динамики, синтезе структур САУ и алгоритмов управления энергоэффективными электроприводами.
В третьей главе дается обобщенная постановка и анализ особенностей задачи оптимизации регулируемых электроприводов как наилучшего (в энергетическом смысле) решения технологической задачи. Описывается классификация математических моделей двигателей по числу степеней свободы и размерности вектора управлений, отражающая их возможности с точки зрения оптимизации энергетических режимов электропривода.
В четвертой главе обосновывается необходимость перехода от универсальных к проблемно-ориентированным моделям силовой части электропривода. Описывается принцип и особенности построения проблемно-ориентированных моделей. Рассматриваются конкретные приложения данного принципа к построению проблемно-ориентированных моделей основных типов двигателей для решения практических задач. Анализируются свойства основных функций качества электроприводов.
В пятой главе рассматриваются математические аспекты решения задач оптимизации электроприводов. По результатам исследований функций качества формулируется общая постановка задачи оптимизации режимов двигателей на базе проблемно-ориентированных моделей. Дается классификация задач оптимизации. Рассматриваются общие для численных методов проблемы выбора начального приближения. Приводятся постановки и решения типичных задач оптимизации режимов двигателей.
В шестой главе дается метод оценки и проводится анализ энергетической эффективности оптимизированных электроприводов на основе критерия эффективности. В качестве практического приложения метода исследуется энергетическая эффективность оптимальных режимов основных типов двигателей. Особое внимание в главе уделяется анализу эффективности управления асинхронным двигателем по критерию максимума момента при ограничении напряжения и тока статора.
В седьмой главе обосновываются рациональные структуры САУ электроприводов для реализации энергоэффективных режимов. Рассматриваются принципы построения, структуры и алгоритмы оптимизаторов режимов электроприводов со скалярными и векторными системами автоматического управления.
В восьмой главе излагаются результаты математического моделирования
динамических и энергетических процессов оптимизированных
электроприводов. Описываются математические модели многомерных САУ электроприводов с подчиненным регулированием координат. Дается оценка энергетической эффективности статических законов оптимального управления в электроприводах, работающих в переходных режимах.
В девятой главе приводятся результаты комплексного экспериментального исследования энергоэффективных режимов асинхронных двигателей и оптимизированных регулируемых асинхронных электроприводов. Формулируются цели и задачи исследования. Описываются экспериментальные установки, методики проведения экспериментов и анализируются полученные результаты исследований.
В заключении формулируются основные результаты диссертационной работы.
В приложении приводятся документы, характеризующие использование результатов диссертационной работы в проектных и пуско-наладочных организациях, а также в высших учебных заведениях.
