WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

2 Р ыполнена в ФГБО ВПО «Комсом -на-Амуре госу

Работа вы а ОУ мольский- е дарств ехнически рситет» на кафедр тропривод венный те ий универ н ре «Элект д и автомати ромышлен ановок» изация пр нных уста Научн водитель: Суздо Викт Иван ндидат ный руков орф тор нович, кан техни ент ических наук

, доце Офиц ты: Влась ав льевич, циальные оппонент ьевский Станисла Васил докто ческих нау ессор – ор технич ук, профе профе ФГ ВП «ДВГ ессор ГБОУ ПО ГУПС», г. Хаб баровск;

Кузьм Рома Вячесл мин ан лавович, кандидат те их наук, д доцент ехнически доцент - д кафед «Эле аника» ФГБОУ дры ектромеха Ф ВПО «КнАГТ г. К ьск-наТУ», Комсомоль Амур ре.

Ведущ изация: Национальный овательски щая органи й исследо ий Томск поли ский иверсикий итехничес уни тет (Т Томск.

ТПУ), г. Т З д ии состои 0 3 часов на засе

Защита диссертаци ится « 25 » мая 2012 г. в 13 н дании диссерта го У К ационног совета ДМ 212.092.04 в ФГБОУ ВПО «Комсомольск нный хнический универс о кий-на-Амуре государствен тех й ситет» по адресу: 681 Комсомоль муре, пр. Ленина д 201-3, 1013, г. К ьск-на-Ам д.27, ауд.e-mail: kepapu@ u @knastu.ru С диссер м знакомит в би е У С ртацией можно оз ться иблиотеке ФГБОУ ВПО «Комс ий-на-Ам госуд ный итет» сомольски муре дарственн технический универси и на сай knastu.ru.

йте www.k

Автореферат ра ля 2012 г.

азослан «20» апрел.

Учены арь диссе ного совета ый секрета ертационн кандид ических наук, доце В.И. Су дат техни ент уздорф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергосбережение является одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира и сводится, как правило, к повышению энергоэффективности и снижению энергоемкости производства. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что основная составляющая потерь приходится на сферу потребления. Одним из основных потребителей электрической энергии во всем мире является электропривод (ЭП). При этом следует отметить, что в каждом конкретном случае необходимо принимать конкретные решения по оптимизации существующих производств, разработке новых технологий с целью повышения энергосбережения.

Во всем мире массово используют электроприводы малой мощности:

в электрифицированном инструменте, специальном строительном оборудовании, медицинской и сложной бытовой технике. Характерным фактором, делающим тему исследования особенно актуальной является то, что КПД двигателей малой мощности составляет от 30 до 60%, оставляя сравнительно большие возможности для его повышения, особенно в регулируемом электроприводе, а, следовательно, имеется значительный резерв экономии электроэнергии по сравнению с промышленными электроприводами.

Следует отметить, что в настоящее время достаточно мало внимания уделяется построению энергоэффективных систем управления электроприводами малой мощности, вследствие, незначительности эффекта энергосбережения в единичном случае и дешевизны таких приводов. Поэтому вопрос энергосберегающего управления таким электроприводом недостаточно исследован в настоящее время, в то время как, с точки зрения математического описания, однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения, который в основном используется в массовом электроприводе малой мощности, является достаточно сложным объектом, вследствие наличия нелинейностей и отчасти непредсказуемой нагрузки на валу двигателя.

Вопросам теории и практики улучшения энергетических показателей электроприводов, в том числе с однофазным коллекторным двигателем последовательного возбуждения (ОКД), были посвящены работы, выполненные рядом ученых: Климовым В.П., Ильинским Н.Ф., Каганом В.Г., Лебедевым Г.В., Малининым Л.И., Суздорфом В.И., Алехиным А.Е., Петровым Ю.П., Беллманом М.Х., Fujimaki T., Dubey G.K. и др. авторами.

В разработке теории и практики построения систем отвечающих принципам оптимальности с точки зрения минимума потерь, функционального и структурного синтеза систем электропривода, участвовали многие специалисты: Башарин А.В., Козярук А.Е., Нуждин В.Н., Слежановский О.В., Власьевский С.В., Соколовский Г.Г. и другие.

Основными проблемами в разработке энергоэффективных систем электропривода с ОКД являются: нелинейная зависимость электромагнитных процессов от скорости и ее влияние на энергетический КПД, а также нелинейные статические характеристики двигателя, требующие новых решений по формированию их заданных функциональных свойств (стабилизация скорости, ограничение момента и др.).

С учетом вышеизложенного возникает необходимость разработки новых функциональных, алгоритмических и технических решений по оптимизации энергетических и статических характеристик, обеспечивающих высокое качество регулирования с учетом трудно формализуемых требований к сложности системы, ее массогабаритным показателям и стоимости, что делает такую разработку актуальной.

Объектом исследования является электропривод на базе однофазного коллекторного двигателя для массового потребления.

Предметом исследования являются оптимальные по критерию минимума потерь функциональные зависимости переменных движения, алгоритмы управления и техническая реализация требуемых характеристик электропривода.

Целью работы является функциональный синтез системы электропривода на основе критерия минимума потерь, создание способов и устройств управления электропривода с ОКД, основанных на алгоритмах оптимальных, с точки зрения энергоэффективности, управлений для достижения требуемых статических и динамических характеристик ЭП и поддержания динамического КПД на максимальном уровне.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

- функциональный синтез системы электропривода на основе критерия минимума потерь;

- разработка математического описания электромагнитных процессов в ОКД с учетом найденных функциональных зависимостей;

- синтез структуры электропривода с нелинейными обратными связями, обеспечивающими компенсацию возмущений;

- разработка устройств управления ЭП с ОКД, основанных на алгоритмах оптимальных, с точки зрения энергоэффективности, управлений для достижения требуемых статических и динамических характеристик ЭП и поддержания максимального динамического КПД;

- проверка эффективности разработанных систем с помощью моделирования и экспериментальных исследований.

Методика исследования. Научные исследования в диссертационной работе основывались на применении методов теории электромеханического преобразования энергии, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления. При решении задач исследования динамических режимов систем, определения структуры и параметров предложенных моделей использовались методы цифрового моделирования, на основе пакета Matlab/SimPowerSystems. Экспериментальные исследования проводились на изготовленных автором макетных образцах.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждена их соответствием законам физики, теории электрических машин, электропривода, корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, применением широко апробированных методов оптимизации Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснованы теоретические условия обеспечения энергоэффективности и синтезированы практические алгоритмы управления электроприводом малой мощности с ОКД с точки зрения минимума потерь, содержащие новые положения, связанные с контролем постоянной времени ОКД.

2. Разработаны предложения по проектированию энергоэффективных систем электропривода с ОКД по материалам исследований особенностей формирования статических и динамических характеристик с учетом критерия минимума потерь.

3. Предложены новые технические решения стабилизации скорости и коррекции динамики ОКД.

Основные положения, выносимые на защиту:

разработанные структуры электропривода с ОКД с нелинейными обратными связями, обеспечивающие новые функциональные свойства;

математические модели электропривода с ОКД с нелинейными обратными связями;

алгоритмы оптимального управления электроприводами с ОКД с точки зрения энергоэффективности;

результаты модельного и физического исследования влияния структуры системы и законов управления на энергоэффективность электропривода с ОКД.

Практическая ценность работы:

предложены пути реализации новых функциональных свойств устройств и приборов и повышения энергетических показателей электропривода. Результаты исследований позволяют повысить качество ручного электрифицированного инструмента, бытовых машин и приборов, сложной бытовой техники, могут использоваться при разработке отечественных устройств с улучшенными энергетическими показателями, повышая их конкурентоспособность;

даны рекомендации по инженерной методике расчета структуры и параметров электропривода в различных вариантах практического использования.

Реализация работы осуществлена в рамках научного направления кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»: энергосбережение и энергоэффективность. Результаты работы переданы в форме технической документации и методик расчетов на ОАО «Амурский судостроительный завод», г. Комсомольск-на-Амуре для использования при разработке, и модернизации ручного электрифицированного инструмента. Результаты работы внедрены в учебный процесс на электротехническом факультете КнАГТУ по направлению 140400 – «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, форумах и конкурсах:

40-я и 41-я научно-технические конференции студентов и аспирантов КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, 2010-2011 г.г.

Международная научно-техническая конференция «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре, 21-22 октября 20года) в рамках Международного симпозиума «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»;

Региональная итоговая конференция по программе У.М.Н.И.К. – 2010, ноябрь 2010 г.

Всероссийский круглый стол «Роль молодежи в решении задач повышения энергоэффективности и энергосбережения» в рамках Ярославского энергетического форума, 1-3 декабря 2010 г.

Хабаровский краевой молодежный инновационный конвент 2011, апрель 2011;

Всероссийский молодежный образовательный форум «Селигер2011», 1 – 8 июля 2011 г.;

Школа молодых ученых Хабаровского края – 2011, август 2011;

Всероссийский круглый стол «Роль молодежи в решении задач повышения энергоэффективности и энергосбережения» в рамках Ярославского энергетического форума, 5-7 октября 2011 г.

Региональная итоговая конференция по программе У.М.Н.И.К. – 2011, ноябрь 2011;

Научная школа «Капитализация знаний в условиях социальноориентированной экономики» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, Тула, 18-19 ноября, 2011 г.

XIV Конкурс молодых ученых и аспирантов Хабаровского края, январь 2012 г.

Научно-техническое расширенное заседание кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», г. Комсомольск-наАмуре, ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2012 г.

Публикации. По результатам исследований, отраженных в диссертации, опубликовано 12 работ, из них 11 – научные статьи и тезисы докладов, включая 1 статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ, а также патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 149 страницах, в том числе 82 рисунка и 5 таблиц. Автореферат полностью отражает содержание диссертации. Материалы диссертации достаточно полно опубликованы в 12 работах, в том числе в 1 издании рекомендованном ВАК РФ, а также патент на изобретение. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы» в области исследований: «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана общая характеристика работы, сформулированы цель и намечен круг решаемых задач, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечена их новизна и практическая значимость. Приведены сведения о внедрении результатов, апробации работы и публикациях.

В первой главе проведен критический анализ существующих систем управления электроприводами на основе ОКД.

Анализ функциональных и энергетических характеристик известного множества технических решений показал, что в сфере массового электропривода малой мощности вопрос энергоэффективного управления не поставлен ни в техническом, ни в научном аспекте. Выявлено, что рассматриваемая группа приводов работает с переменной не циклической нагрузкой, поэтому при синтезе оптимального, с точки зрения энергетики, управления необходим учет электромагнитных процессов в ОКД. При предварительном анализе электромагнитных процессов установлено, что постоянная времени ОКД является функцией скорости, а значит, требует рассмотрения задача учета этого фактора при оптимизации управлений в соответствии с критерием энергоэффективности.

Из анализа возможностей имитационного моделирования различных программ на ЭВМ выявлено, что ни одна программа должным образом не позволяет учитывать все существующие нелинейности таких двигателей, а наоборот используют значительное количество допущений при математическом описании ОКД. Данный факт служит достаточной предпосылкой к созданию новых виртуальных моделей ОКД для целей моделирования. Поскольку в приводах малой мощности, принимаемые допущения, оказывают серьезное влияние на величину погрешности проводимого имитационного моделирования, что не столь значительно сказывается для приводов средней и большой мощности.

Одним из недостатков рассмотренных решений схем СУ является то, что в режиме рабочих нагрузок двигатель работает в режиме прерывистых токов. Вследствие этого снижаются энергетические показатели привода, а также существенно возрастает уровень нелинейности статических характеристик.

При реализации регулируемого электропривода на основе ОКД возникают определённые трудности с формированием требуемых статических и динамических характеристик и, в частности, с созданием систем стабилизации скорости. Они вызваны в первую очередь двумя факторами:

1) наличием относительно большого момента потерь, обусловленного потерями на вентиляцию и трением в подшипниках, из-за чего подключение к валу двигателя датчика скорости приведёт к ещё большему увеличению таких потерь;

2) отсутствием простых и надежных промышленно выпускаемых датчиков скорости для измерения скоростей выше 15000 об/мин.

Установлено, что для систем управления электроприводами на основе однофазных коллекторных двигателей, применяемых в бытовых и промышленных объектах, уровень исследований и разработок энергоэффективных систем управления ЭП с ОКД с функцией стабилизации скорости является недостаточным.

Выявлено, что рассматриваемая группа приводов работает с переменной не циклической нагрузкой, поэтому при синтезе оптимального, с точки зрения энергетики, управления необходим учет электромагнитных процессов в ОКД.

При предварительном анализе электромагнитных процессов установлено, что постоянная времени ОКД является функцией скорости, а значит, требует рассмотрения задача учета этого фактора при оптимизации управлений в соответствии с критерием энергоэффективности.

Результаты анализа позволили определить требования, предъявляемые к системам управления электроприводов на основе ОКД и основные зависимости между основными координатами ЭП с ОКД.

Во второй главе решается задача синтеза структуры электропривода с нелинейными обратными связями, обеспечивающими компенсацию возмущений.

Нелинейность механической характеристики и кривой намагничивания оказывают существенное влияние на статические и динамические режимы работы электропривода. Следует отметить, что наибольшее распространение получило использование обратных линейно пропорциональных связей по основным внутренним координатам электропривода при построении систем стабилизации скорости. Использование обратной связи по ЭДС вращения двигателя, в приводах с ОКД последовательного возбуждения является трудно реализуемой из-за слабовыраженной зависимости ЭДС от частоты вращения, кроме того, в присущих для данного типа привода режимах прерывистого тока ЭДС равна нулю. По тем же причинам не может найти применение обратная связь по напряжению двигателя, а также осуществление стабилизации частоты вращения путем отслеживания частоты коллекторных пульсаций напряжения. Удобным является применение положительной обратной связи по току двигателя. Указанная связь проще реализуется либо с помощью шунта, либо трансформатора тока или же в зависимости от ЭДС самоиндукции цепи двигателя. Недостатком такого типа обратной связи служит то, что сигнал на её выходе не несет полной информации о частоте вращения и её изменениях, вызванных отдельными возмущениями (нагрев обмоток, изменение напряжения сети).

Наиболее полно компенсировать указанные недостатки позволяет использование нелинейной обратной связи, характеристика которой была бы обратна механической характеристике ОКД. В двигателе последовательного возбуждения такая нелинейная обратная связь может быть построена на использовании в качестве измеряемой координаты – постоянной времени однофазного коллекторного двигателя. Постоянная времени, пропорциональна темпу спадания тока и несет в себе информацию о текущих значениях скорости и тока. В качестве решения поставленной проблемы в диссертации предложена разработанная автором структура, формирующая сигнал обратной связи в виде частного от текущих значений тока и частоты вращения двигателя при импульсном питании последнего.

Для этого измеряется темп спадания ЭДС самоиндукции двигателя. Время спадания ЭДС с большой степенью точности пропорционально значению тока якоря и обратно пропорционально частоте вращения двигателя [3], измерение её производится в момент, когда двигатель отключен от сети в межкоммутационный период питающего преобразователя, а ток якоря протекает по, шунтирующей якорь, разрядной цепочке. Достоинством указанного метода является возможность учесть большое число возмущений, в том числе нагрев обмоток двигателя, изменение напряжения сети и т.д.

Постоянная времени ОКД определяется выражением [1]:

TОКД TЭ (1) 1 b Из представленного уравнения видно, что для поддержания стабильной скорости вращения двигателя необходимо поддерживать постоянным время спадания ЭДС самоиндукции.

Проведенный синтез структуры системы электропривода привел к необходимости разработки способов и устройств, формирующих синтезированные нелинейные законы изменения воздействий на входе широтноимпул реобразов оторые яв б мальными с точльсного пр вателя, ко влялись бы оптим ки зрения энерг гоэффективности.

Э массо пот я тся згонной г лектроЭП ового требления относит к раз группе эл привод дачу оптимального го ЭП мо рмулидов и зад о управления таког ожно сфор ровать следующ обра изм корость двигателя от значе vь щим азом: менить ск д ения до v2 т извольное ого процес гия, потак, что бы за прои е время переходно сса энерг требля п ователя, б нимальной ого необх яемая от преобразо была мин й. Для это ходимо обеспе ксимум ди скому КПД ечить мак инамичес Д:

( (2) c ( v) d ( ) ( v P d c М ум данном функц б еспечиват при следуМаксиму му ционалу будет обе ться ющем условии [4]:

u2 C C v PМЕХ d min (3) Р м, остоянной скорост и прен ескими Решением при по й ти небрегая механиче потеря ет являтьс ение:

ями, буде ся выраже (4) u v P a v МЕХ v=u, о.е. v=0.

. v=0.

. v=0.

., о.е е.

Рис. 1 – Кривые щего напр и момента е питающ ряжения в функции а при ра х значения азличных ях скорости Как видно из рисунка 1 с ростом нагрузки на валу двигателя, действующее значение питающего напряжения должно изменяться по квадратичному закону. Такая функция изменения действующего значения питающего напряжения будет оптимальной с точки зрения выполнения энергетического критерия.

В третьей главе рассмотрены вопросы проектирования и исследования математических моделей электроприводов малой мощности с ОКД в динамических режимах работы.

Однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения при питании от постоянного напряжения в двигательном режиме описывается следующими уравнением электрического равновесия и уравнением движения электропривода:

(5) U (t) R R i(t)L L di(t) L i(t)(t) C Я B Я B ЯВ dt d(t) (6) J MДВ MC Bm (t) dt где - напряжение питания двигателя (сети), В; i(t) - ток двигателя, U (t ) C А; (t) – угловая частота вращения двигателя, 1/с; - активное сопроRЯ тивление обмотки якоря, Ом; активное сопротивление обмотки возRB- буждения, Ом; - индуктивность обмотки якоря, Гн; - индуктивность LЯ LB обмотки возбуждения, Гн; – взаимная индуктивность между обмоткаLЯВ ми якоря и возбуждения, Гн; J - суммарный момент инерции электродвигателя и рабочего органа, кг·м2; - электромагнитный момент двигателя, M ДВ Н·м; - момент нагрузки и постоянный момент трения двигателя, Н·м;

M C Bm (t) - переменный момент трения (зависит от скорости вращения), Н·м, - коэффициент трения, Н·м·с.

Bm Если ввести обычную систему относительных единиц, приняв за базовые номинальные значения, т.е.:

I M U E i ; ; ;u ;e ; * IH MH H EH EH H Тогда, уравнения электрического равновесия и движения электропривода имеют вид:

di(t) u (i e) d dv (7) НГ d При этом двигатель характеризуется всего двумя параметрами и , имеющими следующую энергетическую интерпретацию:

L I Wмагн.

H (8) J H Wкин.

IH R IH R PH (9) EH EH IH PH Такая математическая модель дает более полное представление об энергетике ОКД последовательного возбуждения.

В качестве среды разработки и моделирования системы управления ОКД с нелинейной обратной связью использован пакет инженерных и специализированных вычислений MatLab.

При этом, реализация однофазного коллекторного двигателя последовательного возбуждения осуществляется на базе применения стандартных блоков при непосредственном синтезировании новых элементов с целью учета кривой намагничивания двигателя последовательного возбуждения. Для создания новых блоков использовались элементы, имеющиеся элементы в библиотеке Simulink. Так, при построении модели, был синтезирован новый блок, на имеющихся в библиотеке Simulink элементах, реализующий функциональную зависимость электромагнитной постоянной времени от частоты вращения. При моделировании двигателя постоянного тока последовательного возбуждения была учтена кривая намагничивания двигателя, посредством изменения структуры блока двигателя постоянного тока.

Нелинейная обратная связь реализуется за счет измерения постоянной времени двигателя на каждом участке выключения транзистора ШИП.

Постоянная времени при этом прямо пропорциональна времени спадания ЭДС ОКД до нуля и определяется выражением (1). Тогда, согласно представленным положениям, величину постоянной времени можно определить двумя способами: прямым расчетом по формуле, или измеряя темп спадания тока самоиндукции в момент, когда транзистор ШИП выключен и двигатель отключен от сети.

В разработанной модели применен второй способ. Для этой цели использован блок обнуляемого дискретного интегратора.

На рисунке 2 представлена структурная схема разработанной математической модели электропривода с ОКД. Силовая цепь состоит из стандартных блоков Simulink: источник переменного напряжения; неуправляемый однофазный выпрямитель, два транзистора и двигатель постоянного тока с последовательно соединенной обмоткой возбуждения. Цепь управления состоит из устройства синхронизации включения, блока задания, генератора импульсов, блоков нелинейной обратной связи.

При моделировании использовались данные двигателя серии КОО561: Uн=220 В, Рн=300 Вт, nн=12000 об/мин, Мн=0.252 Н·м.

Для построения статических характеристик замкнутой системы с положительной обратной связью, подается линейно нарастающий момент нагрузки, поэтому в одних осях координат представлены и механические Рис. 2 – Структурная сх азработанная в Simulink хема СУ ЭП, ра динам ристики, и статич к легко личить мические характер ческие, которые л отл друг о ого, по пр ому семейству хар тик хоот друга. Кроме то риведенно рактерист рошо п ривается в го холосто просматр величина момента реальног ого хода.

Н рисун 4 пре х ристик На нке едставлено семейство механических характер систем управ ной тной зью. представл мы вления с нелинейн обрат связ На п ленном рисунк абочие уч рактерист кже оске видно участки пуска, ра частки хар тик, а так новную еристику. Из пред нка видно м выше ю характе дставленного рисун о, что чем скорос работ тем больше мо по двигателя. Э объяс сть ты, б омент отерь Это сняется тем, чт ная составляющая а потерь – момент трения зависит то основн я момента – з от ско вигателя. Основная характе иперболич орости дв ая еристика имеет ги ческий вид, эт няется уравнением ческой ха стики разо то объясн м механич арактерис омкнутой си лектропри ОКД. Поэт пазон наг а котоистемы эл ивода с О тому диап грузок, на ром во с ации скор дет тем бо м ниже рабочая озможна стабилиза рости буд ольше чем р скорос сть.

И анали статич механичес хара ик ет, Из иза ческих м ских актеристи следуе что | | модул сти лежит лах: ль жесткос т в предел 1 10 1 10.

И вание модели осу лось я идов грузки:

Исследов уществлял для трех ви наг ступен линейно-н щего и пи ного.

нчатого, л нарастающ илообразн Н п лены ре ы дований динамических Ниже представл езультаты исслед характ ейно-нара е нагрузки сунке теристик при лине астабщем моменте и. На рис показа одной про рости ОК ент време одается ан перехо оцесс скор КД, в моме ени 3 с по момен нагру редставле н унке 4. Исследование нт узки, пр енный на рису динам дилось для реж иротномических характеристик производ д жима ши импул одуляции с частото льсной мо ой 100 Гц.

Рис. 3 – Семейство статич еханическ теристик разраческих ме ких характ ботанной систем ления ЭП мы управл П с ОКД Рис. 4 ходной пр орости пр но возраст стати4 – Перех роцесс ско ри линейн тающем с ческом моме енте Рис. 5 – Зависимость ст ого момен емени татическо нта от вре Ч ая а щена периментальным исследов Четверта глава посвящ эксп ваниям, провед д етических в и оценк атности денным для проверки теоре х выводов ки адеква компьютерных моделей, приведе анной раб енных в да боте.

Э мент лизовывал на основе ла ного нда Эксперим реал ался о абораторн стен по дисцип А изированн элект од», оставе ко плине «Автомати ный троприво в со оторого присут д ь постоян а с возмож вательтствуют двигатель нного тока жностью последов ного п ения отки буждения и асинх двигатель с коподключе обмо возб я, хронный д ь роткоз ым ом, ащий рузочной машино для испытуезамкнуты роторо служа нагр й ой мого д я последов го возбуж двигателя вательног ждения.

П вательног возбуж одавалось через Питание на ОКД последов го ждения по ь лабора сформато й вид уст приведен на риаторный автотранс ор. Общий тановки п сунке 6.

Д ия график алов обра зи, разраб Для сняти ков сигна атной связ ботанной системы упр я, использ сциллогра истрации токов, равления зовался ос аф С1-77. Для реги напряж м ей в дина х режима ьзовался прибор жений и мощносте амических ах исполь п «Энергомонито 1», внешн представл нке 7.

ор - 3.3 Т1 ний вид которого п лен рисун П Энергомон 3 предназн я:

Прибор Э нитор-3.3 начен для для ия и реги показател тва электричея измерени истрации п лей качест ской энергии (П ГОСТ 131 РД 153-34 2-2002;

ПКЭ) по Г 109-97 и Р 4.0-15.5 для ния электр тических величин в одно- и трехя измерен роэнергет и фазны ых сетях;

для ации акти активной и полной ти на я регистра ивной, реа й мощност интерв 1 мин до 3 течение валах от 1 30 мин в т 7 суток;

для ных и одн ионных и элекя поверки трехфазн нофазных индукци тронны иков элек ии класса мерительн образоых счетчи ктроэнерги а 0,5 и изм ных прео вателе ей;

для я метроло х характеристик уз я контроля огических злов учета и правил их подклю льности и ючения;

для рматоров напряжения (до 110КВ).

я поверки трансфор Р Внешний в ериментал тановки Рис. 6 – В вид экспе льной уст Рис. 7 – Внеш д прибора шний вид а «Энергомонитор 3.3» Р Внешний в раммы «D » Рис. 8 – В вид прогр DeltaProfi» В й вид эксп становки представ Внешний периментальной ус влен на рисунке 6. Он представ соб лабор й мый вляет бой раторный стенд, исследуем двигатель, нагруз м с управления, лабор й нсфорзочную машину, систему у раторный автотран матор, «Энергом, осцилло рсональны ьютер с, прибор « монитор», ограф, пер ый компь устано м програм беспечени Profi.

овленным ммным об ием DeltaP Л орный сте ляет изме новные ко ы элекЛаборато енд позвол ерять осн оординаты тропри омент грузки, с д я, днофазног коливода: мо наг скорость двигателя ток од го лектор пряжение я двигател рного электродвигателя, нап е питания ля.

М н я ороткозам Момент нагрузки создается асинхронным ко мкнутым двигателем, й питается отного пр, который я от часто реобразователя.

П нительном анализе тривались лизации С При сравн е рассмат ь три реал СУ ЭП:

разраб ая ма линейной обратной связью разоботанная замкнута систем с нел й ю мкнутая систем олее расп енная СУ с симисто ма и наибо простране ором.

0.0.0.0.0.0.0.1 – Зам система; 2 кнутая си ческая си мкнутая с 2 – Разомк истема, 3 – Классич истема Рис. 9 – Завис КПД элект ода от вре симость К троприво емени 90.80.70.60.50.40.30.20.10.0.1 – Замкнутая система; 2 – Разомкнутая система, 3 – Классическая система Рис. 10 – Количество потребленной энергии электроприводом при периодическом приложении нагрузки Как видно из представленных статических и динамических характеристик КПД и потребляемой энергии, замкнутая система стабилизации с квадратором в цепи обратной связи и обратно-синусоидальной модуляцией с частотой 300 Гц имеет более качественные энергетические показатели по сравнению с разомкнутой системой и классической системой управления.

Потребление энергии разработанной системой управления уменьшилось более чем на 10 Вт·ч за рассматриваемый период работы, а значение КПД удалось поднять до величины 57 % при разработанных способах управления электроприводом. В динамических режимах, согласно экспериментальным данным, КПД разработанной системы более чем на 7% превышает значение КПД не замкнутой системы.

Для проверки результатов математического моделирования согласно экспериментальным данным, был проведен сравнительный анализ рассчитанных и экспериментально – снятых характеристик статического КПД системы. При сравнении использовался коэффициент корреляции Пирсона R (Pearson, 1896), называемый также коэффициентом линейной корреляции, так как он отражает степень линейных связей между переменными. Корреляция между парой переменных в определенный момент времени называется парной корреляцией, которая изменяется в пределах от -1 до +1.

Коэффициент корреляции R12 Пирсона между двумя переменными Yи Y2 вычисляется следующим образом:

n Y1) (Y2Y Y2 ) (Y1Y in R12 r(Y1,Y2 ) (10) (Y1Y Y1)2 (Y2Y Y2 )Д выч циента корреляци испол ь Для числения коэффиц к ии льзовалась программа Mathcad. Резуль рас линейного коэффициен корре ьтаты счет нта еляции Пирсо ческом мо ании по сравнению рименона при математич оделирова ю с экспер тальны ными прив рисунке ыми данн веден на р 11.

Рез ематического ания зультаты мате о моделирова Рис. 11 – Резу асчета коэ нта корре ирсона дл ультаты ра эффициен еляции Пи ля математич вания в ср иментом ческого моделиров равнении с экспери И за предст х на рисунке 11 ре в видно, ч Из анализ тавленных езультатов что коэффиц кор а телен р 85. ое циент рреляции Пирсона положит и равен 0.98 Данно значение коэффиц ирсона св ствует о том, что рассмотр циента Пи видетельс ренная математическая модель в достат с т ражает пр я точной степени точно отр рироду физических про в разработ лектропри оцессов в танном эл иводе.

За аключение В диссер ой е а чно-техни В ртационно работе решена актуальная науч ическая задача – повыш энергетичес эфф сти вития а шения ской фективнос и разв функциональны свойст широк спек элект омплексо масых тв кого ктра тротехнических ко ов сового ктрифицир й инструм ытовые машины о назначения: элек рованный мент и бы и приб а счет пос н руктур эл ивода и боры, - за строения синтеза новых стр лектропри создан энерг ивных ал в ения и. ненные ния гоэффекти лгоритмов управле ими Выполн исслед определил ющие основные рез ы:

дования о ли следую зультаты и выводы 1. На основе ана стат мических характер ализа тических и динам х ристик широк спек элект ческих ко ов вого кого ктра тротехнич омплексо массов назначения (элект ент товые ма ) трифицированный инструме и быт ашины и приборы) рекоЭкспериментальные данные мендованы функциональные решения для построения систем массового электропривода;

2. Синтезированы структуры электропривода с ОКД с нелинейными обратными связями, обеспечивающие новые функциональные свойства;

3. Обоснованы теоретические условия обеспечения энергоэффективности и синтезированы практические алгоритмы управления электроприводом малой мощности с ОКД с точки зрения минимума потерь, содержащие новые положения, связанные с контролем электромагнитной «постоянной времени».

4. По материалам исследований разработаны предложения по учету особенностей формирования статических и динамических характеристик электропривода с учетом критерия минимума потерь и синтезирован алгоритм управления с точки зрения энергоэффективности электроприводом на основе однофазного коллекторного двигателя, согласно которому, напряжение, подводимое к двигателю, изменяют прямо пропорционально корню квадратному от электромагнитного момента двигателя.

5. Предложено математическое описание электромагнитных процессов в ОКД с учетом найденных функциональных зависимостей и разработаны математические модели с нелинейными обратными связями;

6. Предложены алгоритмы оптимального управления с нелинейной коррекцией динамических параметров, основанные на методе динамического программирования, и, определяющие требуемый закон изменения питающего напряжения с целью обеспечения максимального значения КПД электропривода;

7. Разработаны устройства управления электропривода с ОКД, основанные на алгоритмах оптимальных, с точки зрения энергоэффективности, управлений для достижения требуемых статических и динамических характеристик ЭП и поддержания максимального динамического КПД;

8. Обоснована эффективность разработанных систем с помощью физического моделирования и экспериментальных исследований влияния структуры системы и законов управления на энергоэффективность электропривода с ОКД.

9. Экспериментально установлено, что разработанные способы и устройства управления обеспечивают снижение энергопотребления при работе в рабочем диапазоне нагрузок. Показано, что КПД замкнутой системы стабилизации скорости с разработанными способами управления повышается в среднем более чем на 10%.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ В рецензируемых журналах из списка ВАК 1. Мешков, А.С., Суздорф, В.И. Статические и динамические характеристики системы стабилизации скорости однофазным коллекторным двигателем с нелинейной обратной связью //Научно-технический вестник Поволжья. №2 2011 г. – Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2011 – 139-1В других изданиях 1. Мешков, А.С., Суздорф, В.И. Энергоэффективный электрифицированный инструмент //Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, октябрь 2010 г. - Новочеркасск:

Лик, 2010. - С.49-53.

2. Мешков, А.С., Суздорф, В.И. Формирование характеристик систем массового электропривода// Ученые записки Комсомольского-наАмуре государственного технического университета. Науки о природе и технике №3. – Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. – С.

57-61.

3. Мешков, А.С., Суздорф, В.И. Математическая модель однофазного коллекторного электропривода// Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре, 21-22 октября 2010 года): В 5 т. Т.3 / Редкол.: А.М. Шпилев (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. С.112-14. Мешков, А.С., Суздорф, В.И. Функциональный синтез нелинейных обратных связей систем массового электропривода// Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-наАмуре, 21-22 октября 2010 года): В 5 т. Т.3 / Редкол.: А.М. Шпилев (отв.

ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010, С. 90-92.

5. Мешков, А.С., Захарченко,А.И.,Суздорф, В.И. Устройство для стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя// Научно-техническое творчество аспирантов студентов. Материалы 40-й научно-технической конференции аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 2010); ГОУВПО КнАГТУ, С. 130-132.

6. Мешков, А.С., Суздорф, В.И. Энергоэффективный электрифицированный инструмент// Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, октябрь 2010 г. - Новочеркасск:

Лик, 2010. - С.49-53.

7. Мешков, А.С., Суздорф, В.И. Энергосберегающий электрифицированный инструмент// Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учных по нескольким междисциплинарным направлениям, г. Новочеркасск, октябрь-ноябрь 2011 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.(НПИ). – Новочеркасск: Лик, 2011. – 270-273 с.

8. Мешков, А.С., Суздорф, В.И. Энергоэффективное управление электроприводом массового назначения//«КАПИТАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ В УСЛОВИЯХ СОЦИАЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННОЙ ЭКОНОМИКИ»:НАУЧНАЯ ШКОЛА в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы: сборник тезисов. – Тула, 18-19 ноября 2011 г. – Тула: Издво ТулГУ, 2011 г., ч.1. – 24-29 с.

9. Мешков, А.С., Еськова Л.О, Суздорф В.И. Система стабилизации скорости однофазного коллекторного электродвигателя// Научнотехническое творчество аспирантов студентов. Материалы 41-й научнотехнической конференции аспирантов и студентов (Комсомольск-наАмуре, 2011); ГОУВПО КнАГТУ, С. 114-116.

10. Мешков, А.С., Гудим, А.С Энергосберегающий электрифицированный инструмент Материалы Ярославского энергетического форума, 1-3 декабря 2010, С. 102-107.

11. Мешков, А.С., Суздорф, В.И., Гринкруг, М.С. Формирование энергетических характеристик электроприводов малой мощности с однофазными коллекторными двигателями // Вестник Дальневосточной государственной социально-гуманитарной академии. Естественнонауные знания. №2(9) 2011. С.80-89.

12. Устройство для стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя Пат. №2444838 Российская Федерация, МПК H02P7/285, H02P7/29, H02P7/292./ Мешков, А.С., Суздорф, В.И.; Заявитель и патентообладатель: ФГБОУВПО «КнАГТУ», заявл.

2010135477/07, 24.08.2010; опублик. 10.03.20Мешков Александр Сергеевич Электропривод малой мощности на основе однофазного коллекторного двигателя с улучшенными энергетическими характеристиками Автореферат Подписано в печать 18.04.20Формат 60 х 84 1/16. Бум. тип. № 3. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 1,40. Уч. - изд. л. 1,35. Тираж 100. Заказ 247Редакционно-издательский отдел Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина,




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.