Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Выбор математической модели асинхронного электродвигателя .16
1.1. Общий подход .16
1.2. Установившиеся режимы АД. Схема замещения .20
1.3. Переходные режимы АД 22
1.4. Выводы по главе 1 .28
Глава 2. Частотное регулирование асинхронного двигателя, ориентированное на получение максимального коэффициента полезного действия .29
2.1. Основные вопросы и анализ литературы 29
2.2. Схема замещения АД .31
2.3. Аппроксимация кривых намагничивания 35
2.4. Алгоритм исследование АД 41
2.5. Сравнительное исследование условно ненасыщенной и насыщенной машин 44
2.6. Выводы по главе2 51
Глава 3. Разработка замкнутых САР, включающие в себя турбомеханизмы, для сельских территорий .53
3.1. Оценка способов регулирования подачи насосов с точки зрения энергосбережения 53
3.2. Цели и задачи моделирования 55
3.3. Описание системы водоснабжения. Построение динамической модели .56
3.4. Разработка моделей САУ по давлению в системах водоснабжения .64
3.5. Методы синтеза систем автоматического регулирования 69
3.6. Линеаризация динамической модели и выбор регулятора .70
3.7. Моделирование нелинейной модели САУ по давлению 73
3.8. Пример использование алгоритма нахождения максимального КПД АД 74
3.9. Выводы по нелинейной модели САУ по давлению 79
3.10. Особенности управления электропривода вакуум-насоса доильной установки АДМ-8 80
3.11. Пример использование алгоритма нахождения максимального КПД АД для электропривода вакуум-насоса .88
3.12. Выводы по главе3 90
Глава 4. Технико-экономическая оценка от повышения КПД электродвигателя .92
4.1. Технико-экономические показатели 92
4.2. Оценка экономического эффекта от повышения КПД АД 93
4.3. Технико-экономическое обоснование от повышения КПД АД .95
4.4. Выводы по главе4 .100
Основные выводы и результаты .101
Список использованной литературы 104
Приложение 1 112
- Установившиеся режимы АД. Схема замещения
- Сравнительное исследование условно ненасыщенной и насыщенной машин
- Разработка моделей САУ по давлению в системах водоснабжения
- Технико-экономическое обоснование от повышения КПД АД
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Энергоэффективное использование всех видов энергии стало в последние годы
одним из основных приоритетных направлений технической политики во всех
развитых странах мира, в том числе и России. Энергосбережение в любой сфере
сводится к снижению потерь. Электропривод, являясь энергосиловой основой
современного производства, потребляет около 60-70% всей вырабатываемой
электроэнергии, следовательно, основной эффект энергосбережения может быть
получен в этой сфере. Из спектра различных решений, применяемых для
энергосбережения, одно из наиболее эффективных и быстро окупаемых,
требующих относительно небольших капиталовложений - внедрение
высокотехнологичной и наукоемкой энергосберегающей техники -
частотно-регулируемых асинхронных приводов, позволяющих оптимизировать
режимы работы турбомеханизмов в широком диапазоне изменения нагрузок. На
электропривод турбомеханизмов приходится около 60% от общего числа
эксплуатируемых электроприводов, потребляют они при этом до (20-25)% от
объёма производимой электроэнергии. Применение регулируемого
электропривода турбомеханизмов позволяет создать новую
энергосберерегающую технологию, когда экономится не только электроэнергия, но сберегается ресурс и сокращается расход транспортируемой среды.
В настоящее время, несмотря на стремительное расширение области использования частотно-регулируемых приводов, некоторые вопросы их управления требуют дополнительного анализа и подробного рассмотрения. Поэтому выбор алгоритма управления для обеспечения минимизации энергозатрат, а так же уточнение скалярных законов частотного управления с учетом реальных механических характеристик системы «двигатель-насос» по максимальному коэффициенту полезного действия (КПД) электродвигателя является своевременной и актуальной задачей, имеющей практическое значение.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритма частотного управления асинхронного электропривода турбомеханизмов, ориентированного на получение максимального КПД двигателя в установившихся режимах, с учетом сопутствующих факторов и специфики динамических характеристик объектов сельскохозяйственного назначения, включающие в себя центробежные и вакуум-насосы.
Задачи исследования.
В число решаемых задач входят:
-
Анализ способов повышения КПД электропривода, работающего в сельскохозяйственном производстве.
-
Выбор математической модели асинхронного двигателя (АД), как объекта управления с учетом режимов работы исследуемых объектов.
-
Разработка алгоритма частотного управления электроприводов турбомеханизмов, ориентированного на получение максимального КПД АД в установившихся режимах с учетом их насыщения.
-
Разработка динамических моделей систем водоснабжения
сельскохозяйственного назначения и вакуумной системы доильной установки АДМ-8 и методик настройки параметров регуляторов давления данных систем.
5. Сравнительная оценка экономического эффекта от повышения КПД.
Объект исследования: асинхронный электродвигатель в составе электропривода турбомеханизмов.
Методы исследования.
Основными являются:
-
Моделирование динамических систем известными численными методами.
-
Использование теории автоматического управления для выбора структуры и параметров настройки регуляторов.
-
Использование компьютерного моделирования в среде программирования MATLAB v.11.0 и MathCAD v.14.
Достоверность результатов исследований проверялось сопоставлением их с экспериментальными данными, а так же с результатами, полученными в работах других авторов.
Научная новизна.
Новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана методика выбора алгоритма частотного асинхронного электропривода турбомеханизмов, ориентированных на получение максимального КПД двигателя.
-
Предложены нелинейные динамические модели системы водоснабжения малой мощности (небольшой объем воды в сети) с учетом изменения постоянной времени водосети и вакуумной системы доильной установки АДМ-8.
-
Разработана методика настройки параметров регуляторов давления соответствующих систем, с учетом использования алгоритма частотного управления АД, ориентированного на получение максимального КПД.
Практическая ценность.
-
Предложенная методика выбора алгоритма управления для обеспечения минимизации энергозатрат позволяет выбрать уточненный скалярный закон частотного управления по максимальному КПД электродвигателя в зависимости от его загрузки. Это позволяет использовать электродвигатели с максимальным КПД, что имеет высокую практическую значимость с точки зрения энергосбережения.
-
Проведена оценка экономического эффекта возможности применения условно ненасыщенной машины.
Реализация результатов работы. Материалы исследований используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании на энергетическом факультете СПбГАУ.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждены и одобрены на научно-практической конференции «Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельский территорий» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2007 г.); на научно-практической конференции «Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельский территорий» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2008 г.);
на научно-практической конференции «Энергетика предприятий АПК и сельский территорий: состояние, проблемы и пути решения» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2009 г); на научно-практической конференции «Энергетика предприятий АПК и сельский территорий: состояние, проблемы и пути решения» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2010 г); на Международной конференции «Энергосбережение в ЖКХ» (Санкт-Петербург, «ЛенЭкспо», 2011 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, отражающих основное содержание работы и новизну технических решений, из которых 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 81 наименований и 6 приложений. Основное содержание работы изложено на 128 страницах, содержит 41 рисунок и 12 таблиц.
Установившиеся режимы АД. Схема замещения
Чаще всего преобразователи ориентированы на наиболее распространенную в настоящее время группу насосов, вентиляторов и компрессоров центробежного типа, которые имеют так называемую вентиляторную нагрузку.
Отличительными особенностями преобразователей этой серии, которые обусловлены типом нагрузки, являются: скалярное управление с фиксированным соотношением между напряжением питания и частотой питающего напряжения (U/f); отсутствие встроенных и дополнительных тормозных устройств; пониженная перегрузочная способность по моменту в пределах 15%-20%. Некоторое упрощение функций преобразователя позволяет снизить стоимость, упростить обслуживание и предложить его для массового внедрения на многих объектах в различных отраслях, таких как АПК. Таким образом, можно сформировать 3 основных направления применения частотного привода турбомеханизмов для повышения их энергоэффективного использования: 1. Совершенствование системы управления частотного электропривода турбомеханизмов, входящие в состав различных технологических установок, в условиях медленного изменения нагрузки, которые позволяют сохранить высокие энергетические показатели на малых нагрузках, т.е. на малых расходах применительно для турбомеханизмов. 2. Совершенствование алгоритмов управления электроприводом, основанных на применении компьютерной техники и информационных технологий, которые не только повышают потенциал энергосбережения КПД турбомеханизма, но и обеспечивают повышение КПД самого электродвигателя [15,16,27,28,39,40,41,50,51,52,58,59,62]. Снижение потерь в двигателе (повышение КПД) является одним из основных вопросов рационального частотного привода, заключающимся в оптимальном, по условию минимума потерь, соотношении между амплитудой и частотой напряжения, питающего двигатель в процессе регулирования. В свою очередь, минимум потерь обеспечит энергоэкономный режим двигателя и его допустимый нагрев для безаварийной работы. Обсуждение данного вопроса все чаще встречается в изученной литературе. 3. Переход на более экономичные двигатели, в которых за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди), применения более совершенных материалов и технологий повышены номинальные значения КПД и коэффициента мощности. Этот путь, несмотря на высокую стоимость таких двигателей, становится очевидным, если учесть, что по данным западноевропейских экспертов, стоимость электроэнергии, потребляемой ежегодно средним двигателем, в 5 раз превосходит его стоимость. За время службы двигателя, а это десятки лет, экономия энергии, особенно при наличии частотного привода, значительно превысит капитальные затраты на такую модернизацию. Как уже отмечалось ранее, этот путь пока не получил должного признания в отечественной практике. Отметим, что вышеперечисленные методы повышения энергоэффективности использования турбомеханизмов путем использования частотно-регулируемого электропривода в большей мере распространены в промышленности и в городском хозяйстве, и менее на сельских территориях. Данный факт обуславливает предпосылки к изучению данного вопроса и служит толчком к широкому и быстрейшему внедрения энергоэффективных технологий в сельское хозяйство, что определило направление исследований, проведенных в данной диссертационной работе. Цель работы Разработка алгоритма частотного управления асинхронного электропривода турбомеханизмов, ориентированного на получение максимального КПД двигателя в установившихся режимах, с учетом сопутствующих факторов и специфики динамических характеристик объектов сельскохозяйственного назначения, включающие в себя центробежные и вакуум-насосы. Задачи работы В число решаемых задач входят: 1. Анализ способов повышения КПД электропривода, работающего в сельскохозяйственном производстве. 2. Выбор математической модели асинхронного двигателя (АД), как объекта управления с учетом режимов работы исследуемых объектов. 3. Разработка алгоритма частотного управления электроприводов турбомеханизмов, ориентированного на получение максимального КПД АД в установившихся режимах с учетом их насыщения. 4. Разработка динамических моделей систем водоснабжения сельскохозяйственного назначения и вакуумной системы доильной установки АДМ-8 и методик настройки параметров регуляторов давления данных систем. 5. Сравнительная оценка экономического эффекта от повышения КПД. Объект исследования: асинхронный электродвигатель в составе электропривода турбомеханизмов. Предмет исследования: скалярные законы частотного управления по максимальному КПД асинхронного двигателя для электропривода турбомеханизмов в зависимости от его загрузки. Методы исследования Основными являются: 1. Моделирование динамических систем известными численными методами. 2. Использование теории автоматического управления для выбора структуры и параметров настройки регуляторов. 3. Использование компьютерного моделирования в среде программирования MATLAB v.11.0 и MathCAD v.14. Достоверность результатов исследований проверялось сопоставлением их с экспериментальными данными, а так же с результатами, полученными в работах других авторов.
Сравнительное исследование условно ненасыщенной и насыщенной машин
Ведущие производители насосов предлагают так называемые интеллектуальные насосы, в которых осуществляется управление и насосом, и приводным электродвигателем. Насос Magna фирмы «Grundfoss» способен обеспечить необходимую рабочую точку на самой низшей напорной характеристике, что снижает энергопотребление [55]. Данное интерактивное управление базируется на игровом подходе между энергосберегающим алгоритмом управления насосом и потребителями. В этом случае автоматически ищется минимально допустимая скорость насоса, удовлетворяющая потребность потребителей. Такое управление может обеспечить дополнительно энергосбережение до 10% в сравнении с системами стабилизации напора.
Одним недостатком, проявляющимся особенно для систем водоснабжения малой мощности, является то, что стоимость датчиков давления или расхода становится соизмеримой со стоимостью насоса вместе с приводным двигателем. Этот факт направляет усилия исследователей на разработку бездатчиковых систем управления водоснабжения (без датчиков расхода или давления).
Компания «Armstrong Pumps Inc.» предлагает бездатчиковое управление центробежным насосом [54] на базе внедрения в память контроллера скорости приводного двигателя статических напорных характеристик насоса, а также зависимостей мощности от производительности для десяти разных скоростей. Во время работы насоса измеряются мощность и скорость насоса, позволяющие на основании указанных характеристик определить координаты рабочей точки насоса, т.е. напор и расход. Таким образом, использование для оценки напора и производительности насоса информации о мощности на валу насоса позволит уменьшить статическую и динамическую ошибки оценки и применять бездатчиковое управление в системах, где нельзя пренебречь динамикой двигателя, насоса сети. Данный метод целесообразно применять в насосных установках малой мощности (а большой мощности?) с целью энергосберегающего управления. Так же в литературе встречаются работы [75], в которых задача энергосбережения в насосных установках решается построением экстремальной энергосберегающей электромеханической системы автоматического управления путем организации автоматического поиска рабочей точки с максимальным КПД насоса при минимуме суммарных потерь энергии в электроприводе и условии поддержания требуемой постоянной производительности. Согласно проведенному анализу литературы можно сделать вывод, что с точки зрения экономии электроэнергии потребляемой двигателем лучшим является способ 4, но он требует более строгого технологического обоснования. Следующим по эффективности является способ 3. Единственным его недостатком по сравнению со способом 2, является необходимость передачи информации с датчика давления, установленного в диктующей точке, но на сегодняшний день это не является очень сложной технической задачей. Основной целью моделирования в данной работе является разработка нелинейной динамической модели системы водоснабжения малой мощности с учетом изменения постоянной времени водосети, а так же выбор и настройки регулятора, обеспечивающие оптимальный режим работы ЧП. 1. Построить адекватную статическую и динамическую модели по известным аналитическим зависимостям и экспериментальным данным реальной системы водоснабжения. 2. Проверить адекватность модели в динамических (переходных) режимах. 3. Получить механические характеристики насосов, по которым уточнить законы частотного управления с целью получения максимального КПД АД в установившихся режимах. Установившиеся режимы рассмотрим с точки зрения выявления способов управления (настройки регулятора) с целью оптимальных энергетических режимов. 3.3. Описание системы водоснабжения. Построение динамической модели Рассмотрим типовую насосную станцию подкачки ГУП «Водоканал» Тихвинского района. Она обеспечивает подачу воды от насосной станции II подъема из резервуаров чистой воды на повысительную насосную станцию, насосная установка которой увеличивает напор в сети и поднимает воду потребителям. Данная насосная станция - без резервуара. Она размещается в заглубленном здании небольшого размера. Режим ее работы жестко связан с режимом водопотребления.
К основному оборудованию насосной установки относятся насосы, приводы насосов, трубопроводы с регулирующей и запорной аппаратурой. Станция оборудована насосами марки КМ – консольные моноблочные насосы, выполненные в паре с двигателем; соединительная муфта отсутствует; насос расположен на валу двигателя. Два основных насоса – КМ 65-50-160, один из которых постоянно находится в работе.
Разработка моделей САУ по давлению в системах водоснабжения
На сегодняшний день существуют современные методы оптимального синтеза линейных и нелинейных САУ, пропагандируемые в научной литературе. Они перспективны для синтеза сложных взаимосвязанных многокоординатных технологических систем. Однако почти нет алгоритмов решения задач оптимального синтеза конкретных технических устройств, например, таких как электромеханические системы (ЭМС). В это сфере сохранили значимость «классические» методы синтеза, оценку которых целесообразно выполнить, в связи с широким использованием в инженерной практике «аналитического исследования модели объекта» на ПК, вместо дорогостоящего и трудоемкого натурного эксперимента.
Разделим методы синтеза САУ на две группы, определяемые описанием их моделей. Первая группа методов синтеза связана с операторно-частотным преобразованием неоднородных дифференциальных линейных или нелинейных стационарных уравнений с известными детерминированными или случайными внешними воздействиями, описывающих динамические процессы в математических моделях САУ. При этом используют математические представления моделей «от входа к выходу» в виде передаточных функций (ПФ) обязательно при «нулевых начальных условиях» и операторов «нулевых начальных условий» (метод ПФ).
Для описания моделей дискретных САУ (импульсных, цифровых непрерывно-дискретных) составляют разностные уравнения того же вида и используют дискретные передаточные функции (ДПФ).
Вторая группа методов оперируют с такими же дифференциальными уравнениями. При этом применяют математическое описание моделей САУ в виде временных функций в «пространстве переменных состояний» как при «нулевых», так и при «ненулевых» начальных условиях (метод ПС).
В России из первой группы наиболее часто используют структурно-параметрический «метод динамического синтеза» (ДС) В.А. Бесекерского и «метод вещественных частотных характеристик» (ВЧХ) В.В. Солодовникова [76]. В дальнейшем в данной работе использован данный метод. Исследование нелинейных систем и выбор регуляторов для них, как правило, является сложной задачей. Одним из наиболее стандартных подходов к решению подобных задач является линеаризация нелинейной системы около рабочей точки с соответствующими параметрами (приложение 5). Такой подход предлагается в данной работе. Наиболее действенным способом придания САР необходимых статических и динамических свойств является введение в систему дополнительного корректирующего устройства. Часто используется последовательные корректирующие устройства, которые включаются в систему непосредственно после датчика рассогласования. Широкое применение нашел метод синтеза последовательных корректирующих устройств по логарифмическим амплитудно-частотным характеристикам. Этот метод разработан Солодовниковым В.В. и основан на соответствии методу логарифмических частотных характеристик разомкнутой системы и на статических и динамических свойствах в замкнутом состоянии. Метод разработан для систем регулирования с астатизмом 1-го порядка. 1. По известной передаточной функции неизменяемой части системы строится предполагаемая ЛАХ Lo(w). Под неизменяемой частью системы понимается исходная система, состоящая из объекта регулирования, датчика, исполнительного устройства, но не снабженная необходимым корректирующим устройством (регулятором), обеспечивающим требуемого качества переходного процесса. Синтез корректирующего звена и выбора параметров регулятора методом ЛАХ, а так же анализ параметров регулятора проверено путем моделирования в пакете Matlab. Структурные схемы для ПИД- и ПИ - регулятора и соответствующие переходные процессы с различными постоянных времени сети представлены в приложении 5. В итоге, можно сделать вывод, что ПИД - регулятор менее чувствителен к изменению воды в сети, но в тоже время грубее, чем ПИ – регулятор. Окончательно коэффициент регулятора уточнялся на исходной модели. Почему не рассматриваются варианты построения системы как системы подчиненного регулирования с типовыми настройками?
Технико-экономическое обоснование от повышения КПД АД
При использовании ненасыщенной машины, не смотря на значительные капиталовложения, срок окупаемости составит всего на 2 месяца больше. Этот факт говорит о возможности применения данных машин на производстве.
Основной экономический эффект от повышения КПД АД достигается за счет экономии электроэнергии.
Из практики использования частотных преобразователей давно известно, что срок окупаемости их внедрения составляет менее одного года. Реализация данного проекта позволяет достичь нескольких основных целей: снизить расход электроэнергии, воды и тепла, и значительно снизить вероятность аварий в системах холодной и горячей воды у потребителей, а также на сетях. 3. При использовании разработанного алгоритма повышения КПД АД экономия электроэнергии на потерях составляет до 7% и при этом срок окупаемости на 1 месяц меньше, чем при регулировании по стандартным законам Костенко. 4. При использовании ненасыщенной машины, не смотря на значительные капиталовложения, срок окупаемости составит всего на 2 месяца больше. Этот факт говорит о возможности применения данных машин на производстве. 1. Анализ литературы показывает, что применение частотного привода для управления турбомеханизмами является на сегодняшний день хорошо изученным вопросом и широко используемым на практике. В частности, при решении вопроса энергоэффективности систем водоснабжения (при поддержании давления у насоса или в диктующей точке) в городских водосетях экономится не только электроэнергия, но и сберегается тепловая энергия и сокращается расход воды за счёт уменьшения утечек её при превышениях давления в магистрали, когда расход мал. Однако, применение частотного привода для объектов сельскохозяйственного назначения, на сегодняшний день широкого не распространено и в связи с этим данный вопрос требует дополнительного теоретического исследования. При этом большой интерес вызывает вопрос повышения КПД АД, входящих в состав турбомеханизмов. 2. Универсальным математическим аппаратом для исследования АД является уравнения Горева-Парка. При известном графике нагрузки турбомеханизма эти уравнения позволяют подобрать алгоритм управления АД, обеспечивающий максимальный КПД, используя формальные методы оптимизации с учетом насыщения и других сопутствующих факторов. Однако, график нагрузки редко бывает заранее известен, а получение механической характеристики насоса, которая описывает все возможные установившиеся режимы на действующей установке, является относительно простой задачей, то разработка алгоритма управления, обеспечивающий максимальный КПД только в этих режимах, разбивается на две части. Во-первых, для нахождения закона частотного управления АД, обеспечивающий его максимальный КПД в установившихся режимах, может быть использована Т-образная схема замещения, которая непосредственно следует из уравнений Горева-Парка, но с более простым учетом насыщения и магнитных потерь исследуемого АД. Во-вторых, создание системы управления, нацеленной на стабилизацию определенного технологического параметра (давления или расхода) и включающей в себя выбранный закон частотного управления и при этом обеспечивающей удовлетворительные показатели качества переходных процессов по всем интересующим параметрам системы. В последнем случае (как показано в главе 1) для исследования динамики АД при плавных переходных процессах могут быть использованы формулы для электромагнитного момента, полученные из аналитических выражений, описывающих его статические режимы. Например, формула Клосса с возможностью её коррекцией при работе на низких частотах. 3. В данной работе решены обе вышеизложенные задачи, т.е. разработан алгоритм, позволяющий по известным механическим характеристикам насосов, подбирать закон частотного управления, обеспечивающий КПД близкий к максимальному в каждой рабочей точке. Так же алгоритм позволяет оценить возможность повышения КПД двигателя за счет уменьшения насыщения магнитопровода (при этом увеличивается масса и габариты машины, а так же её стоимость). 4. Проведенные теоретические исследования алгоритма на конкретных установках в принципе не противоречат результатам исследованиям других авторов, но, что важно, позволяют кроме качественного анализа получить точные количественные результаты. 5. Для решения второй задачи, разработанные нелинейные модели системы водоснабжения малой мощности, учитывающей количество воды в сети, и вакуумной системе доильной установки АДМ-8 позволяют проверить их на адекватность при работе по разомкнутым схемам, т.е. без частотного привода. При работе по замкнутым схемам эти модели позволяют с помощью известных методик выбрать параметры настройки типовых регуляторов давления входящих в преобразователь частоты и проверить качество переходных процессов с учетом основных факторов, определяющих технологические функционирование данных систем. Соответствующие этим моделям механические характеристики насосов дают возможность уточнить закон частотного управления, обеспечивающий КПД АД близкий к максимальному. 6. В работе приведена оценка экономического эффекта от повышения КПД АД для электропривода центробежного насосов. Проведенный анализ показывает, данное мероприятие в конечном итоге даёт существенный экономический эффект. Рассмотрена возможность применения ненасыщенной машины, но в данной работе даётся только достаточно грубая оценка этого вопроса.
