Энергосберегающие режимы регулируемых асинхронных электроприводов насосов водоснабжающих установок в условиях фермерских хозяйств

Возрастающие требования к показателям качества производственных процессов и производительности труда обуславливают в последнее время устойчивую тенденцию широкого внедрения регулируемых электроприводов (ЭП) в различных отраслях народного хозяйства. Развитие математической теории машин переменного тока и автоматического управления, совершенствование силовых полупроводниковых приборов, использование микропроцессорных средств управления позволило создать высококачественные глу-бокорегулируемые ЭП на базе электромеханических преобразователей переменного тока.

Эффективность работы регулируемого ЭП переменного тока в составе того или иного технологического комплекса или системы во многом определяется возможностями источника питания. Наиболее перспективными из них являются полупроводниковые преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения [10,28], которые позволяют удовлетворять самым высоким требованиям по диапазону и качеству регулирования скорости. Данный тип силового преобразователя, как правило, включает в себя неуправляемый выпрямитель, фильтр, автономный инвертор, цепь «слива» энергии рекуперативного торможения и дает возможность реализовать на его основе ЭП с различными типами приводных двигателей [69,93].

Появление в начале 90-х годов 20-го столетия высокочастотных биполярных транзисторов с МОП-управлением Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) [40,69] дало возможность с помощью прямого разрывного управления [8] или широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного напряжения [23,113] организовывать быстродействующие системы «преобразователь частоты — двигатель переменного тока» с низкими массогабаритными показателями.

Наиболее массовым среди всех двигателей переменного тока для диапазона малых и средних мощностей в настоящее время остается трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД), который работает на предприятиях различных отраслей народного хозяйства и основным является в сельскохозяйственном производстве [1,94,102]. Такой приоритет АД в регулируемом ЭП переменного тока связан с высокой надежностью данного типа электрических машин. Отсутствие щеточно-коллекторного узла, контактных колец и постоянных магнитов обуславливает эксплуатационные преимущества АД над синхронными двигателями различного возбуждения и машинами постоянного тока. Так, например, средняя наработка на отказ у АД составляет 30 лет, в то время как у двигателя постоянного тока — около 10 лет [50]. Кроме того, к достоинствам АД можно отнести простоту конструкции, малые габариты и момент инерции ротора, отсутствие коммутационных ограничений по скорости и току и т. д. [1,61,82,114].

Асинхронный ЭП общего назначения, в котором, как правило, не требуется обеспечения высоких механических и энергетических характеристик в широком диапазоне изменения скорости и момента нагрузки, строится на основе фазового [23,49,106] или частотного [14,78,82,104] управления АД. Последний способ является более экономичным и пригодным для длительного глубокого регулирования скорости. Он заключается в одновременном изменении амплитуды и частоты подводимого к статору напряжения в соответствии с выбранным ранее законом при стабилизации магнитного состояния асинхронной машины и реализуется в рамках принципов как управления по отклонению, так и по возмущению. При этом, как отмечается в [82,104], в частотном управлении целесообразно отказаться от поддержания на постоянном уровне некоторой магнитной переменной и осуществлять регулирование скорости за счет изменения абсолютного скольжения. Такие частотно-регулируемые асинхронные ЭП обеспечивают удовлетворительные динамические и энергетические характеристики во всем диапазоне скоростей, которые в то же время уступают показателям регулируемого ЭП постоянного тока.

Ранее, несмотря на достаточно развитую теорию частотного управления АД, большой вклад в которую внесли такие отечественные исследователи как Костенко М. П., Булгаков А. А., Сабинин Ю. А., Дацковский JI.X., Слежа-новский О.В., Рудаков В. В., частотно-регулируемый асинхронный ЭП, как правило, внедрялся в областях, где было недопустимым применение двигателей постоянного тока из условий безопасной работы, либо при модернизации нерегулируемого ЭП. Широкое внедрение АД в системах автоматического управления (САУ) скоростью сдерживалось низкими динамическими характеристиками тиристорных преобразователей частоты, а также собственными свойствами объекта, которые проявлялись в пульсациях электромагнитного момента, дрейфе параметров, ухудшении условий охлаждения на малых частотах вращения. Влияния данных недостатков на качество регулирования скорости удавалось избежать путем доработки АД общепромышленной серии специально для частотно-регулируемого ЭП, которая заключалась в независимой вентиляции, размещении в случае необходимости датчиков механического движения, согласовании напряжений обмоток статора и источника питания, либо путем специального конструирования асинхронных машин с учетом изменяемой в процессе эксплуатации частоты питания [17,61,86].

Использование пространственных векторов для описания протекающих в электромеханических преобразователях переменного тока физических процессов дало дальнейший толчок в развитии теории управления АД. Достоинством данного способа представления асинхронной машины по сравнению, например, со схемами замещения различной конфигурации, является отход от параметрического управления и возможность привлечения различных методов синтеза линейных и нелинейных систем.

Анализ статических и динамических режимов работы электрических машин переменного тока с помощью мгновенных значений пространственных векторов позволяет в отличие от математических моделей АД, полученных путем линеаризации дифференциальных уравнений для малых отклонений, проводить исследование переходных процессов, сопровождаемых существенным изменением относительно точки равновесного состояния. Благодаря векторной форме и применению синхронно-вращающихся систем координат удалось представить АД по аналогии с двигателем постоянного тока как двухканальный нелинейный объект управления. Кроме того, рассмотрение асинхронной машины во временной области на основе метода пространства состояний, векторного анализа и матричного исчисления [8,112] позволило записать математическую модель АД в более компактном виде и систематизировать данный подход в соответствии с принятыми в современной теории автоматического управления требованиями.

Математический аппарат преобразования координат с использованием вращающихся ортогональных систем позволил представлять векторы синусоидально изменяющихся во времени переменных АД в векторы постоянных величин, в результате чего упростился анализ и синтез систем управления асинхронным ЭП. Кроме того, за счет привязки двумерной плоскости к опорному (ориентирующему) вектору удается исключить из дальнейшего рассмотрения поперечную составляющую опорного вектора.

Другим способом математического описания статических и динамических режимов работы электрических машин переменного тока стало представление реальных величин объекта управления в виде спиральных векторов, которые являются экспоненциальными функциями времени с комплексным аргументом. Благодаря функциональной временной зависимости спиральные векторы, в отличие от статических пространственных векторов, более адекватно характеризуют переходные процессы [109,110]. На основании спирально-векторной теории S. Yamamura предложил метод ускорения поля (потока) [17,112,115], который позволяет осуществлять синтез систем управления асинхронным ЭП с высокими динамическими характеристиками.

Благодаря векторному анализу режимов работы АД были сформулированы принципы частотно-токового [13, 61, 17] и векторного [13, 62, 67, 77] управлений. Так, основываясь на ориентировании ортогональной вращающейся системы координат АД по вектору потокосцеплений ротора, в 1971 году F. Blaschke разработал замкнутую многоконтурную САУ скоростью АД с подчиненной структурой и последовательной коррекцией под названием «Transvektor» [87], которая обеспечивала высокое качество переходных процессов по скорости и функционировала в режимах разделения во времени процессов намагничивания и пуска.

Синтез систем векторного управления АД базируется на теории многоконтурных замкнутых систем подчиненного регулирования применительно к многоканальным взаимосвязным нелинейным объектам, какими и являются электромеханические преобразователи переменного тока. Суть векторного управления заключается в контроле мгновенных значений модуля и пространственного положения управляющего и опорного векторов на двумерной плоскости [27, 77]. Именно в рамках таких систем с жесткими линейными обратными связями по каждой регулируемой координате строятся высококачественные асинхронные ЭП, в которых достигаются глубокие диапазоны регулирования.

В некоторых технологических комплексах и системах требуется обеспечить регулирование частоты вращения с постоянством длительно допустимой или максимальной мощности, которое достигается за счет двухзонного управления приводом. В результате такого подхода к построению САУ в первой зоне регулирования магнитный поток постоянен, а во второй плавно изменяется обратно пропорционально скорости. Реализация таких законов управления координатами механического движения происходит в рамках систем с внешним контуром регулирования э.д.с. и внутренним по отношению к нему контуром регулирования потока, и их быстродействие, как правило, невелико, что объясняется подчиненной структурой канала управления магнитным состоянием АД.

В современном асинхронном ЭП с векторным управлением присутствует тенденция исключения из его структуры датчиков механического движения и магнитного состояния за счет привлечения методов идентификации и организации оценки динамических выходных переменных [28, 67, 68, 116]. По этой причине синтез последовательных корректирующих устройств носит характер одной из двух самостоятельных задач, которые подразделяются в зависимости от способа получения информации о полном векторе пространства состояний [17]. Так, если все координаты состояния объекта доступны для измерения, то управления, вырабатываемые регулятором, носят характер линейных преобразований соответствующих компонент вектора пространства состояний и управляющих воздействий. В противном случае для получения недостающих данных необходимо восстановление или оценка их по имеющимся измерениям.

Другой особенностью синтеза регуляторов в структуре частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением является необходимость учета нестационарности объекта, которая обусловлена изменением в процессе работы АД активных сопротивлений фазных обмоток и приведенного момента инерции. Поэтому для качественного регулирования скорости необходимо использование алгоритмов адаптации, которые однако сложны в настройке и эксплуатации.

Избежать данного недостатка для некоторых математических моделей АД можно путем привлечения принципа локализации, обеспечивающего желаемые динамические свойства нестационарной САУ за счет преднамеренной организации быстрых движений, в которой частично или полностью локализуются внешние и внутренние возмущения. Системы векторного управления АД, синтезированные в соответствии с данным принципом, являются наиболее перспективными и сохраняют требуемые показатели в условиях интервальной неопределенности параметров [117].

Как отмечается в [104], в зависимости от условий эксплуатации электромеханических преобразователей можно выделить две обширные группы ЭП. К первой из них относятся регулируемые ЭП, для которых основными являются статические режимы работы с постоянной или медленно изменяющейся нагрузкой, а ко второй — ЭП, работающие, главным образом, в динамических режимах, связанных с отработкой быстроизменяющихся управляющих и возмущающих воздействий. В соответствии с данным разделением осуществляется выбор метода оценки, для которого должно достигаться экстремальное значение выбранного критерия. Так для первой группы оптимизируемый функционал должен отвечать некоторому энергетическому критерию, например, минимуму затраченной энергии или минимуму энергии электрических потерь. Для второй группы ЭП в качестве такого требования может выступать минимум времени, затраченного на перевод данной точки системы из одного состояния в другое, что соответствует классическому критерию оптимальности по быстродействию. Для водоснабжающих установок в АПК приоритетным является первая группа ЭП, анализ и синтез которой и положены в основу данной диссертации.

Применительно к асинхронным ЭП, которые в подавляющем случае являются приводами механизмов вентиляторного типа в диапазоне малых и средних мощностей, задачу энергосбережения можно сформулировать как отыскание управляющих воздействий в рамках систем с обратными связями и последовательной коррекцией.

Федеральная целевая программа «Социальное развитие села до 2010 года» и отраслевая программа «Энергосбережение в АПК на 2001;2006 гг.», ставят перед сельской энергетикой сложную задачу: снизить энергоемкость производства сельскохозяйственной продукции за счет реализации эффективных мер по энергосбережению при обеспечении надежного энергоснабжения сельских регионов и улучшения бытовых условий жизни населения с одновременным увеличением валового производства продукции. Актуальность этих задач вызвана тем, что проведенные реформы привели к снижению экономического уровня предприятий АПК. Низкое качество и неэффективное использование электрической энергии — характерные черты многих российских аграрных предприятий и сельских территорий.

Проблема энергосбережения в сельском хозяйстве в условиях перехода к рыночным отношениям обостряется в связи с дефицитом энергоресурсов и резким увеличением их стоимости. Поэтому первоочередной задачей экономии топливно-энергетических ресурсов в отрасли является снижение необоснованных энергозатрат, величина которых достигает 30−40% от общего потребления электроэнергии сельским хозяйством.

В агропромышленном комплексе в настоящее время широко применяется электропривод с асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. До 60% потребляемой электрической энергии используется в нерегулируемом асинхронном электроприводе, в то же время необходимо признать, что в последние годы в некоторых производственных процессах стали применять частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Расчет мощности электродвигателей осуществляют по максимальной загрузке потребителя, время действия которой, в соответствии с графиками нагрузки для многих технологических процессов, не превышает 20−30% длительности эксплуатационного режима. Одним из перспективных направлений снижения энергопотребления является внедрение векторного управления частотно-регулируемого электропривода. Однако эффективность применения этого управления во многом определяется обоснованным использованием его для конкретных технологических процессов с учетом специфики сельскохозяйственного производства.

Вышеуказанное определяет актуальность обоснования векторного управления частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, а агропромышленном комплексе.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Социальное развитие села до 2010 года» и отраслевой программой «Энергосбережение в АПК на 2001;2006 гг.».

Цель и задачи исследований. Целью работы является снижение энергозатрат в технологических процессах АПК путем реализации векторного управления частотно-регулируемых электроприводов в механизмах вентиляторного типа.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать способы энергосбережения в АПК и определить области допустимых управлений в частотно-регулируемом асинхронном ЭП.

2. Использовать математическую модель частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением для проведения теоретических исследований.

3. Провести экспериментальные исследования режимов энергосбережения частотно-регулируемого ЭП насоса водоснабжающей установки.

4. Дать технико-экономическую оценку результатов исследования режимов энергосбережения частотно-регулируемого электропривода насоса водоснабжающей установки с векторным управлением.

Объект исследования. Режимы регулирования асинхронных ЭП с векторным управлением в технологических процессах АПК.

Предмет исследования. Параметрические закономерности процесса векторного управления частотно-регулируемых ЭП насосов.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе теоретических и экспериментальных методов: математического и физического моделирования исследуемых процессов с использованием современной измерительной и вычислительной техники и проведения статистической обработки экспериментальных данных.

Технико-экономическая оценка предложенной технологии энергосбережения выполнена в соответствии с методикой, разработанной в МГТУ-МЭИ и утвержденной министерством топлива и энергетики.

Научная новизна. Решение поставленных задач определило научную новизну диссертационной работы, которая заключается в следующем:

— теоретически обоснована целесообразность использования векторного управления автоматизированных частотно-регулируемых электроприводов механизмов вентиляторного типа с целью повышения энергосбережения в сельскохозяйственном производстве и быту населения;

— установлена полученная на математической модели взаимосвязь между основными факторами, влияющими на энергосбережение при работе системы ЭП насоса водоснабжающей установки;

— на базе математической модели с использованием критерия минимальных энергетических затрат сформулирован метод рационализации режимов водоснабжения, в результате чего достигается минимальное значение времени переходного процесса при регулировании скорости ЭП насоса.

Практическая ценность диссертации. Разработаны и экспериментально апробированы инженерные методики расчета систем управления асинхронным электроприводом, при котором достигается минимальное значение времени переходного процесса в режиме отработки малых рассогласований по управлению и возмущению.

При создании экспериментальной установки на базе персональной ЭВМ и транзисторного комплектного электропривода «Размер 2М-5−2», которая была испытана на водонасосной станции в опытно-производственном хозяйстве «Венгеровское» ООО «Новосибохота», предложен комплекс технических решений, позволяющих использовать преимущества синтезированного алгоритма управления АД.

Реализация результатов работы. Разработанное техническое задание по проектированию и расчету системы векторного управления частотнорегулируемого асинхронного электропривода принято для исполнения ГУ ОПКТБ СибНИПТИЖа.

Результаты работы используются в учебном процессе Новосибирского государственного аграрного университета для специальности 110 302 -«Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ НГАУ в 2005 — 2006 г. г., на 5-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в мае 2006 года в г. Москве, на 9-ой Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» в июле 2006 г. в Новосибирске, на 3-ей Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК» в октябре 2006 г. в г. Новосибирске.

По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе одна в реферируемом журнале ВАК «Вестник КрасГАУ».

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, включая 11 на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 4 таблицы.

Выводы по главе 4.

1. Проведенная экономическая оценка системы водоснабжения сельского населенного пункт с векторным управлением частотно-регулируемого электропривода насосов и дросселированием показало, что при одинаковом напоре насосной установки предложенная система управления экономически выгодна за счет экономии затрат на электроэнергию, равную 6000 руб/год в расчете на насосную установку номинальной мощности 2,2 кВт.

2. Срок окупаемости затрат на установку системы векторного управления двигателем насоса при экономии электроэнергии и снижении расхода воды составит 11,5 месяца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Теоретическое исследование частотно-регулируемого асинхронного электропривода, удовлетворяющего требованиям технологического процесса в части достаточного быстродействия в режимах сброса и наброса нагрузки, позволили получить следующие основные результаты.

1. Анализ электропотребления в АПК показал, что около 60% электрической энергии расходуется в нерегулируемом электроприводе с асинхронным короткозамкнутым электроприводом, что приводит к дополнительным энергозатратам. Внедрение векторного управления частотно-регулируемым приводом на базе современных преобразователей частоты позволяет экономить до 20% электрической энергии.

2. Реализация векторного управления позволяет наиболее полно использовать ресурс силового преобразователя по току, что имеет немаловажное значение при некоторых видах нагрузки. Вследствие этого повышается перегрузочная способность ЭП.

3. Использование управляющих воздействий по току и напряжению в традиционных системах векторного управления АД, работающих в режимах разделения процессов в каналах намагничивания и образования момента, позволяет сократить время переходных процессов.

4. Применение алгоритмов управления АД не требует принципиальных изменений в структуре многоканальной замкнутой САУ, синтезированной традиционными методами. Реализация их оправдана при реконструкции находящихся в эксплуатации асинхронных электроприводов, когда требуется увеличение быстродействия, а ресурс управления остается неизменным.

5. Разработана методика экспериментального исследования управления регулируемого электропривода, включающая описание примененных современных приборов и аппаратов на базе микропроцессорной техники и последовательность операций в процессе эксперимента. В качестве основного прибора использован контроллер семейства ПЛК MELSEC FX, позволяющий настроить систему в соответствии с необходимыми требованиями технологического процесса.

6. Использование в сельскохозяйственном производстве векторного управления АД только в системе водоснабжения позволит снизить энергозатраты до 20%, расход воды — до 25%. Годовой экономический эффект составит около 6 тыс. руб. в расчете на насосную установку (мощность электродвигателя 2,2 кВт) при сроке окупаемости затрат на установку системы управления менее 1 года.

7. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований векторного управления асинхронными двигателями различной мощности от 0,6 до 50 кВт показали высокую точность этих результатов для различных динамических моментов в режимах сброса и наброса нагрузки. Практическое применение алгоритмов управления создает возможность использования энергосберегающего векторного управления асинхронным электроприводом как при существующем, так и вновь разрабатываемом технологическом процессе.