Введение к работе
Актуальность темы определяется необходимостью разработки и исследования наиболее массового асинхронного электропривода. Большая часть асинхронного электропривода (более 80 %) - это нерегулируемый электропривод. Неуправляемый пуск таких электромеханических систем приводит к значительным знакопеременными моментами и повышенным пусковым токам асинхронного двигателя (АД), повышенным потерям и нагреванию двигателя, сокращает срок службы и снижает надёжность. Особенно это характерно для механизмов с большими моментами инерции, для которых повышенные потери при пуске не просто нагревают АД, но приводят к выходу его из строя. Прямой пуск таких механизмов затруднен. Вместе с тем, успехи, достигнутые в силовой электронике, позволяют и в этих системах применять с высокой экономической эффективностью простейшие управляемые вентильные преобразователи, с помощью которых могут быть обеспечены управляемые режимы пуска и торможения.
Примерами подобных объектов могут служить вертикальные и горизонтальные центрифуги (Ц), барабанные вакуум фильтры. Ярким примером являются вертикальные осадительные и фильтрующие центрифуги периодического действия. Конструктивная сложность подобных объектов и многообразие технических решений при работе в нагруженных динамических режимах, обуславливают необходимость исследований, проведение которых, без применения математического моделирования неэффективно, а зачастую невозможно.
Исследования электромеханических систем опираются на методы математического моделирования и теорию обобщённого электромеханического преобразователя энергии, созданную и развитую в работах Р. Парка, А.А. Горева, В. Гибса, Г. Крона, Г. Н. Петрова, Б. Адкинса, К. Ковача, Е. Я. Казовского, И. Раца, С. В. Страхова, И. Н. Постникова, И. П. Копылова, получившую значительное развитие в работах М.Г. Чиликина, В.И. Ключева, А.С. Сандлера, Г.Б. Онищенко, Л.П. Петрова, О.В. Слежановского, Ф. Блашке, И.А. Прошина и других учёных.
Многообразие структур и способов управления вентильно-электромеханическими системами (ВЭМС) значительно усложняет задачу их анализа существующими методами и приводит к весьма громоздким решениям, малопригодным для инженерной практики. Значительное повышение эффективности моделирования подобных систем возможно на основе создания единых математических моделей для всей ВЭМС, состоящей из вентильного преобразователя (ВП), электромеханического преобразователя (ЭМП) и технологического объекта (ТО). Существующие математические модели процессов и систем центрифугирования не обеспечивают проведение исследований последних как элементов ВЭМС, а существующие программные средства затрудняют исследование комплексов "вентильный преобразователь -асинхронный электродвигатель - центрифуга" (ВП - АД - Ц) как единого целого и выполнение множественных моделирований.
Цель работы - разработка математических моделей и комплекса программ моделирования систем "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга" в динамических режимах с тяжелыми условиями пуска и торможения, обеспечивающих повышение эффективности исследований.
Задачи исследования.
-
Анализ технологических объектов с тяжёлыми условиями пуска и торможения, математических моделей и программных средств моделирования вентильных преобразователей, электромеханических систем и технологических объектов.
-
Разработка математических моделей роторов вертикальных осадительных и фильтрующих центрифуг, учитывающих изменение момента инерции в процессе работы.
-
Разработка математической модели системы "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга", обеспечивающей исследование динамических режимов пуска и торможения.
-
Разработка алгоритма формирования переключающих функций для задания в модели динамических режимов пуска и торможения.
-
Разработка программного комплекса и моделирование динамических режимов систем "ВП - АД - Ц".
-
Разработка практических рекомендаций по применению разработанных математических моделей, программного комплекса и выбору алгоритма управления систем "ВП - АД - ІД" с тяжелыми условиями пуска и торможения.
Объект исследования - системы "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга". В диссертационной работе основное внимание уделено комплексному исследованию эффективности подобных систем при использовании различных алгоритмов управления в динамических режимах.
Предмет исследования - математические модели системы "ВП - АД -Ц" и прикладные программы для их исследования.
Методы исследования. Исследования проводились с применением методов имитационного моделирования, теории математического моделирования, теории обобщённого электромеханического преобразователя энергии.
Научная новизна.
-
Разработаны математические модели роторов вертикальных осадительных и фильтрующих центрифуг, учитывающие изменение момента инерции в динамических режимах работы.
-
Разработана математическая модель системы "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга", обеспечивающая моделирование динамических режимов асинхронных электроприводов центрифуг с минимальным количеством состояний вентильно-электромеханической системы.
-
Разработана методика моделирования динамических режимов пуска и торможения систем "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель -центрифуга", включающая комплексную оценку эффективности системы при вариации алгоритмов и способов управления, нагрузки и мощности двигателя.
-
Разработаны алгоритмы формирования переключающих функций в модели системы "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель -центрифуга", обеспечивающие моделирование фазоимпульсного, квазичастотного, комбинированного, частотного способов управления.
5. На основе разработанных математических моделей создан программный комплекс моделирования систем "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга", ориентированный на множественное моделирование и обеспечивающий комплексные исследования и оценку динамических режимов пуска и торможения при вариации алгоритмов и способов управления.
Практическая ценность.
-
Разработан программный комплекс, обеспечивающий множественные моделирования систем "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга", который позволяет проводить комплексные исследования динамических режимов с оценкой энергетической эффективности.
-
Результаты комплексных исследований позволяют оптимизировать алгоритмы управления систем "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга (фильтрующая, осадительная)" в динамических режимах при использовании способов фазоимпульсного, квазичастотного, комбинированного и частотного управления (ВП со звеном постоянного тока, с непосредственной связью с однократной и двукратной модуляцией).
-
Разработаны практические рекомендации по применению программного комплекса и выбору алгоритмов управления вентильно-электромеханическими системами с тяжелыми условиями пуска и торможения в зависимости от отношения момента инерции нагрузки и ротора электродвигателя.
Реализация и внедрение.
Результаты проведенных исследований внедрены в виде методик, программного комплекса, результатов моделирования динамических режимов и алгоритмов управления пусковыми режимами в ООО "ЭМУЗИН" и "ЭКОПРИБОР" при создании систем управления центрифугой КП 240М и станком для намотки струн, а также в учебный процесс ПГТА (г. Пенза). На разработанное программное средство получено свидетельство об официальной регистрации.
На защиту выносятся.
-
Математические модели роторов вертикальных осадительных и фильтрующих центрифуг как элементы единой модели системы "Вентильный преобразователь — асинхронный двигатель - центрифуга".
-
Математические модели систем "Вентильный преобразователь -асинхронный двигатель - центрифуга", обеспечивающие моделирование множества различных систем с минимальным количеством состояний.
-
Алгоритмы формирования переключающих функций в модели "вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга", в динамических режимах.
-
Методика и результаты исследования динамических режимов системы "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга".
-
Программный комплекс моделирования систем "Вентильный преобразователь - асинхронный двигатель - центрифуга", ориентированный на множественное моделирование и обеспечивающий комплексные исследования и оценку динамических режимов при вариации алгоритмов и способов управления.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на НТК "Проблемы технического управления в энергетике" (Пенза, 2003); на международной научно-технической конференции "Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании" (Пенза 2009); на международной научно-технической конференции "Современные информационные технологии" (Пенза 2009); на первой международной научно-технической интернет конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Инновационные технологии: теория инструменты, практика" (Пермь 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 152 наименования, двух приложений. Основная часть работы изложена на 147 страницах, содержит 49 рисунков и 16 таблиц.
