WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Гельвер Фёдор Андреевич АЛГОРИТМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ С МАШИНОЙ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и электрооборудование береговых установок» в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Самосейко Вениамин Францевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Соколовский Георгий Георгиевич кандидат технических наук Калачиков Павел Николаевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Центральное морское конструкторское бюро «Алмаз» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «» 2009 года в _ на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «» 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертации М. П. Белов 3 I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в качестве движительного комплекса судна широкое применение находят автоматизированные гребные электрические установки (ГЭУ), которые по ряду эксплуатационных параметров имеют преимущества по сравнению с установками, имеющими механическую передачу от теплового двигателя к валу винта. Вопросам проектирования и эксплуатации систем электродвижения уделяется большое внимание.

При создании судовых систем электродвижения возникает проблема обоснованного выбора типа передачи энергии к движителю и выбора типа электромеханического преобразователя электропривода гребного винта, а также алгоритмов управления ими. При этом одним из основных и важнейших критериев управления электрическими установками является показатель энергетической эффективности.

Повышение энергетической эффективности является одним из приоритетных направлении технической политики не только в области судостроения, но и в других областях науки и техники, и регламентируется Федеральным законом РФ "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности". Повышение энергетической эффективности при управлении гребной электрической установкой ведет к уменьшению габаритов и массы источников электроэнергии, снижает потребление топлива, вызывает удешевление эксплуатации судна и увеличению автономности плавания. Побочным эффектом повышения энергетической эффективности становится снижение массы и занимаемой площади гребной электрической установки, что дополнительно обеспечивает увеличение используемой грузоподъемности.

Широкое использование регулируемых электроприводов в ГЭУ привело к тому, что современный электропривод является не только энергосиловой основой ГЭУ, позволяющей обеспечить движитель необходимой механической энергией, но и средством управления технологическими режимами работы ГЭУ, так как задачи по реализации качества работы электроустановок в настоящее время в большинстве случаев возлагаются на систему управления.

Целью работы является решение научно-технической задачи повышения энергетической эффективности и улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик ГЭУ на базе применения машин двойного питания, а также разработка алгоритмов управления ГЭУ с машиной двойного питания в режимах экономичного и полного хода.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1) Предложена методика оценки алгоритмов управления электромеханическими системами по критерию энергетической эффективности и показано, что существует управление, обеспечивающее максимальное значение показателя энергетической эффективности.

2) Выполнен поиск оптимального электромеханического преобразователя на множестве типов электрических машин, выпускаемых промышленностью при оптимальном управлении по критерию энергетической эффективности.

3) Синтезированы алгоритмы оптимального управления машиной двойного питания по критерию энергетической эффективности.

4) Выполнен анализ технологических режимов и конструктивных особенностей гребных электрических установок.

5) Разработана математическая модель автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания и синтезированы алгоритмы оптимального управления, обеспечивающие режимы экономичного и полного хода.

6) Синтезированы алгоритмы информационного обеспечения управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались теория системного анализа, теория автоматического управления, теории электрических цепей и электрических машин. В качестве аппарата исследования использованы методы прикладной математики: векторное и матричное исчисления, дифференциальное исчисление, методы оптимизации и комплексного анализа. Численная реализация и анализ математических моделей выполнялся на ЭВМ с использованием пакета математических программ Simulink (приложении MatLab), Maple и MathCAD.

Научную новизну имеют следующие основные результаты и положения диссертационной работы:

1) Методика оценки алгоритмов управления электромеханическими системами по критерию энергетической эффективности.

2) Математическая модель машины двойного питания, отличающаяся тем, что исходные уравнения с периодическими коэффициентами преобразованы в уравнения с постоянными коэффициентами и выделены уравнения якоря и индуктора.

3) Синтез алгоритмов оптимального управления машиной двойного питания автоматизированной ГЭУ, обеспечивающих максимальное значение показателя энергетической эффективности.

4) Алгоритмы информационного обеспечения автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и подтверждены результатами математического моделирования и базируются на строго доказанных выводах.

Практическая ценность полученных результатов:

1) Методика оценки качества алгоритмов управления электромеханическими системами по критерию электрических потерь.

2) Доказано, что асинхронный электродвигатель с идентичными параметрами статора и ротора при оптимальных алгоритмах управления обладает наилучшей энергетической эффективностью по сравнению с другими видами электромеханических преобразователей, и позволяет развивать двойную мощность при потерях энергии не превышающих номинальные.

3) Установлено, что использование машины двойного питания с идентичными параметрами статора и ротора позволит создать автоматизированную движительную установку с уменьшенными массогабаритными показателями и высоким показателем энергетической эффективности.

4) Создана информационная база данных составных элементов гребных электрических установок.

5) Возможность использования машины двойного питания не только при проектировании новых и модернизации существующих установок ГЭУ, но и применение в различных областях техники.

Реализация результатов работы. Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы использованы в разрабатываемых проектах и НИР одного из ведущих научно-исследовательских институтов России по созданию ГЭУ и судового электропривода ФГУП “ЦНИИ СЭТ”.

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1) Методика оценки алгоритмов управления электромеханическими системами по критерию энергетической эффективности.

2) Математическая модель машины двойного питания, представленная в виде уравнений индуктора и якоря.

3) Алгоритмы оптимального управления машиной двойного питания автоматизированной ГЭУ в режимах экономичного и полного хода, обеспечивающие максимальные значения показателей энергетической эффективности и быстродействия соответственно.

4) Уравнения наблюдателей состояния машины двойного питания позволяющие строить системы управления без датчика частоты вращения.

Апробация работы. Основные результаты работы изложены: в трудах V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу “АЭП2007”; на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых сотрудников СПГУВК 2004-2009 гг.; на заседаниях секции НТС ФГУП “ЦНИИ СЭТ” в 2007 и 2008 гг.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 статьях, в том числе две из них опубликованы в издании, имеющимся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 135 страницах основного текста, содержит 52 рисунка и 4 таблицы. Список литературы включает 105 наименования.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи, объект и предмет исследования. Показана научная новизна и практическая ценность выполненной работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, и практическая ценность полученных результатов диссертационной работы.

В первой главе освещаются вопросы, связанные с анализом структурных схем гребных установок, приводятся достоинства и недостатки электрического привода. Приведены количественные оценки при сравнении редукторного и безредукторного приводов ГЭУ по критериям коэффициента полезного действия, массе и габариту. Рассматриваются различные виды электромеханических преобразователей, производится их сравнение по ряду показателей качества для привода ГЭУ и обосновывается целесообразность использования машины двойного питания. В завершении главы устанавливаются границы между двумя тенденциями построения ГЭУ и области применения машин двойного питания.

Гребная установка – комплекс, образованный первичным двигателем, движителем и системой их сопряжения. Наиболее простая технология передачи энергии от теплового двигателя к движителю состоит в прямом соединении их валом. Однако управляемость судном возрастает, если передача энергии осуществляется от первичного двигателя через энергосистему, образованную генератором электрической энергии и электродвигателем.

Важными факторами ГЭУ являются энергетические и массогабаритные показатели.

Уменьшить габаритные размеры и стоимость электрических машин можно за счет повышения частоты их вращения. Но чем выше частота вращения двигателя и меньше масса, габаритные размеры и стоимость двигателя, тем больше редуктор - его масса, габаритные размеры и стоимость. Возникает конфликтная ситуация: электромашиностроитель, минимизируя собственные затраты (кг/кВт) и повышая КПД электродвигателя, увеличивает его частоту вращения, а это приводит к увеличению массы и стоимости редуктора. Максимальная же частота вращения гребного винта лежит в пределах 200300 оборотов в минуту и зависит от технических характеристик и параметров самого винта. При рассмотрении различных типов электромеханических преобразователей ГЭУ по ряду показателей качества установлено, что асинхронный электродвигатель с фазным ротором по сравнению с другими электромеханическими преобразователями обладает лучшей энергетикой, что особенно актуально для автономных систем, к которым относятся системы электродвижения. Применение электродвигателя двойного питания ведет к повышению частоты вращения и необходимости применения редуктора. Поэтому в данной главе устанавливаются границы между двумя тенденциями построения ГЭУ и области применения машин двойного питания.

Анализ редукторного и безредукторного ГЭУ направлен на определение областей их преимущественного применения. Для более наглядного сравнения в данной главе приведены графики сравнения вариантов безредукторного электропривода с низкооборотной электрической машиной и редукторного привода с асинхронным электродвигателем двойного питания.

Сравнение производилось проектов разрабатываемых в ФГУП “ЦНИИ СЭТ” с альтернативными вариантами гребной электрической установки, в состав которой входит машина двойного питания и редуктор.

На рис.1 представлены зависимости относительной массы безредукторных и редукторных вариантов построения mом кг/(кВА) ГЭУ. Из данных графиков следует, что по массогабаритным Безредуктрорный 10 показателям, безредукторные вариант ГЭУ при ГЭУ уступают редукторным.

nдв=300 об/мин Особенно это проявляется у установок большой мощности.

Следовательно, применение редукторного электропривода с машиной двойного питания в ГЭУ следует считать перспективным и более предпочтительРедуктрорный ным, так как он обладает более вариант ГЭУ при nдв=3000 об/мин 3 высокой удельной мощностью по массе (кВт/кг) и более высокой удельной мощностью по S объему (кВт/м3).

Вторая глава посвящена 1 2 3 4 5 6 7 МВА вопросам математического опиРис. 1. Зависимости относительной массы сания асинхронной машины с безредукторных и редукторных ГЭУ фазным ротором при двойном питании и синтезу алгоритмов управления автоматизированной ГЭУ с машиной двойного питания, по критериям энергетической эффективности и быстродействия.

Использование стандартной схемы подключения машины двойного питания не позволяет получить максимальной энергетической эффективности использования асинхронного электродвигателя с фазным ротором. Поэтому предлагается модификация данной схемы позволяющая получить наилучшие показатели энергетической эффективности использования асинхронного электродвигателя, с фазным ротором, изображенная на рис.2.

Преобразователь частоты (ПЧ) позволяет синтезироA B C вать симметричные трехфазные синусоидальные напряже* ния:

ПЧ uA cos( t + ) U1* u cos( t + - ), uA US = =UB uB t + + ) uC cos( 1 uC i1A* i2C* где - начальная фаза напряжения; =2 /3; U1 - амплитуда i1B* i2B* напряжения на выходе преобразователя частоты; - угловая i1C* M i2A* частота напряжения.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»