Введение к работе
Актуальность проблемы. Работа направлена на создание нового типа отечественного регулируемого комплектного энерго- и ресурсо-сберегающего электропривода для нужд жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) страны на базе оригинальных конструкций двухфазных вентильно-индукторных двигателей с самовозбуждением ВИД СВ (в иностранной литературе TPSRM - Two-Phase Switched Reluctance Motor). В последние годы наблюдается бурный рост отечественных и зарубежных исследований в области создания простых по конструкции и надежных электрических машин для электроприводов, где технологичность, простота и низкая цена исполнительного двигателя имеют решающее значение, а требуемые показатели качества достигаются за счет применения интеллектуальных преобразователей с высокопроизводительными цифровыми системами управления. Эти привода разрабатываются для электрического инструмента, насосов, вентиляторов, строительной техники, где требуемый диапазон регулирования скорости невелик (до 10:1), а простота, технологичность и низкая цена исполнительного двигателя имеют решающее значение. Одной из возможных сфер применения подобных систем может быть привод насосов горячего водоснабжения (ГВС).
Для ЖКХ энергосбережение является одной из наиболее важных и приоритетных задач, что связано с большой энергоемкостью данной сферы. Основным энергопотребителем является теплоноситель - вода, поступающая в каждый городской дом для обогрева и поддержания высокого качества жизни людей, проживающих в нем. Доля энергии, затрачиваемой на транспортировку теплоносителя к потребителям мала (менее 2%) по сравнению с энергией, затрачиваемой на нагрев теплоносителя. Это делает горячую воду весьма ценным ресурсом и основные усилия энергосбережения в данной сфере направлены на экономию именно тепловой энергии. Поэтому, создание оборудования, обеспечивающего экономию тепловой и электрической энергии, является актуальной задачей. В работе эта задача решается путем создания автономно работающих локальных узлов автоматизации на базе комплектных электроприводов нового типа, в которых цифровая система управления привода дополнительно выполняет функцию управления технологическим процессом подачи горячей воды по минимуму общих затрат энергии.
Целесообразность такого подхода подтверждается исследованиями ООО "Центртехкомплект", отраженными в диссертации Штина Е.Н.: использование на рециркуляционных насосах ГВС регулируемого электропривода со специальным законом управления скоростью в функции текущего потребления воды дает существенную экономию средств (до 300 тыс. рублей в год с одного объекта по ценам 2008г) без потери качества водоснабжения потребителей. Только в Москве несколько тысяч подобных объектов, поэтому создание относительно простых и дешевых решений для этого класса оборудования - актуальная задача.
Конкурентные преимущества привода с вентильно-индукторным двигателем по сравнению с асинхронным приводом связаны прежде всего с простотой и технологичностью самого двигателя. В работе решаются задачи разработки
алгоритмов управления двухфазным ВИД СВ, в том числе системы бездатчико-вого управления, обеспечивающей работу электропривода на базе двухфазного ВИД СВ как в зоне высоких, так и в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей. При этом устраняется главный недостаток ВИД - наличие датчика положения на валу.
Новая техника требует качественных сравнительных исследований, преодоления психологических проблем при внедрении, поэтому силовой преобразователь разрабатывается как унифицированный, способный управлять как асинхронными двигателями, так и вентильно - индукторными.
Таким образом, актуальность работы состоит в создании нового отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий жилищно-коммунальной сферы г.Москвы.
Разработка нового электропривода объединила усилия большого количества людей, научных групп и предприятий. Эскизное проектирование электродвигателя выполнялось в научной группе Ильинского Н.Ф. (каф. АЭП МЭИ); уточнение геометрии магнитопровода двигателя методами конечно-элементного анализа - научной группой Фисенко В.Г. (каф. Электромеханики МЭИ); проектирование электродвигателя, подготовка конструкторской документации - ОАО "НИПТИЭМ", г.Владимир; изготовление опытных образцов двигателей, изготовление серийных двигателей - ОАО "ВЭМЗ", г.Владимир; проектирование и производство микропроцессорных контроллеров управления и разработка системы управления - научной группой Козаченко В.Ф. (каф. АЭП МЭИ, ООО "НПФ Вектор", г.Москва); проектирование и производство преобразователей частоты - научной группой Острирова В.Н. (каф. АЭП МЭИ, 000 "НПП Цикл+", г.Москва); проектирование и производство станций группового управления - 000 "Энергосбережение", г.Пущино; внедряющая организация - 000 "Центртехкомплект"; основной заказчик и потребитель комплектного электропривода - ОАО "МОЭК", г.Москва.
Цель диссертационной работы: Разработка комплекса программно-аппаратных средств для исследования и создания двухфазного вентильно-индукторного электропривода насосов горячего водоснабжения.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:
Разработка компьютерной модели двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, учитывающей нелинейность магнитной системы (кривую намагничивания) двигателя.
Разработка компьютерной модели системы управления двухфазным вен-тильно-индукторным двигателем. Отладка алгоритмов СУ, исследование динамических режимов машины, прогнозирование углов оптимальной коммутации фаз двигателя, формулирование требований к контроллерной и силовой части проектируемого преобразователя частоты на базе разработанной модели.
Создание комплекса программно-аппаратных средств для реализации системы управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем.
Экспериментальные исследования разработанной системы управления и опытно-промышленных образцов двигателей мощностью 1.1кВт и 2.2кВт в составе лабораторного стенда.
Запуск разработанного комплекса программно-аппаратных средств в опытно-промышленную эксплуатацию на ЦТП г.Москвы.
Создание системы бездатчикового управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем с самовозбуждением с целью снижения стоимости и повышения надежности электропривода вцелом.
Алгоритмическое и программное сопровождение внедрения промышленной партии комплектных электроприводов в ЖКХ г. Москвы.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:
теория электропривода и цифрового управления;
математическая обработка данных с применением высокоуровневого интерпретируемого языка программирования MATLAB;
методы численного моделирования (Simulink MATLAB) с элементами программирования на языке высокого уровня С++/С;
методы интерактивной отладки микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки Code Composer Studio;
компьютерные методы экспериментальных исследований опытных образцов ВИП с использованием датчиков физических величин.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена как на этапе экспериментальных исследований на лабораторном стенде, так и внедрением разработанных систем управления в опытно-промышленную и промышленную эксплуатацию.
Научная новизна работы заключается в следующем: S Разработана унифицированная модель двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, учитывающая нелинейность магнитной системы двигателя. S Разработана динамическая модель электропривода на базе двухфазного ВИД СВ, включающая в себя модель двигателя, инвертора, системы управления и датчика положения вала ротора низкого разрешения. S Разработан оригинальный алгоритм полуавтоматической юстировки датчика положения вала ротора с применением звуковой индикации углового положения обмотками исполнительного двигателя, что существенно упростило и ускорило процедуру настройки датчика, а также повысило точность настройки системы автокоммутации до 3 электрических градусов. S Разработана оригинальная система бездатчикового управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем с переключаемой структурой наблюдателя, обеспечивающая работу вентильно-индукторного электропривода на базе двухфазного ВИД СВ как в зоне высоких, так и в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей. S Разработана архитектура и схемотехника высокопроизводительного контроллера для реализации системы управления двухфазным ВИД.
S Разработан программно-математический аппарат на базе интерполяции кубическими сплайнами и теории электромеханического преобразования энергии, осуществляющий расчет зависимости момента фазы вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением с любым, заданным пользователем разрешением по току фазы и угловому положению вала ротора, из входной зависимости потокосцепления фазы от тока фазы и углового положения вала ротора низкого разрешения, полученной экспериментально или в результате расчета магнитных полей методом конечных элементов. Основные практические результаты диссертации состоят в экспериментальных исследованиях опытно-промышленных образцов ВИП, обосновании перспективных конструкций двигателей с точки зрения минимизации шумов; во внедрении разработанной датчиковой системы управления в опытно-промышленную эксплуатацию, в частности для центральных тепловых пунктов г.Москвы установлено шесть вентильно-индукторных электроприводов насосов ГВС (три мощностью 1.1 кВт и три мощностью 2.2 кВт) на базе преобразователя частоты Универс2.2(ВИ); во внедрении разработанной бездатчиковой системы управления в промышленную эксплуатацию - на ЦТП г.Москвы внедрено 100 комплектных электроприводов насосов горячего водоснабжения мощностью 2.2 кВт на базе преобразователя частоты ВИП-АД.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института, а также на XII Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты" (Алушта, 2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 34 пунктов и приложений. Содержание работы изложено на 229 страницах машинописного текста, включает 110 рисунков, 13 таблиц и 2 приложения.
