Разработка и исследование моделей энергосберегающего управления электромеханическими системами: На примере электроприводов переменного тока

Актуальность работы. Многообразие функциональных задач, решаемых электромеханическими устройствами в составе различных технических систем и комплексов, повышение требований к их технико-экономическим и функциональным показателям приводит к необходимости создания сложных электромеханических систем (ЭМС). Увеличение количества и усложнение взаимосвязей компонентов служит источником значительных сложностей, возникающих при разработках и обеспечении требуемого качества функционирования ЭМС. В данной ситуации натурные исследования по ряду причин оказываются неэффективными. Поэтому основным современным средством исследования ЭМС становится компьютерное моделирование, опирающееся на достижения теории моделирования сложных систем и возможности вычислительной техники.

Задачи поиска эффективных проектных решений занимают одно из центральных мест при разработке ЭМС и их компонентов. При этом возрастает роль методов и средств управления и оценки реакции систем на управляющие воздействия. Кроме того, существенное место в современных разработках и исследованиях занимают вопросы эксплуатации уже существующих электромеханических устройств и систем, решение которых может обеспечить наиболее эффективные режимы их работы. И в том и другом случае качество принимаемых решений в значительной мере зависит от точности и достоверности моделей, используемых в процессе принятия проектных решений. Причем, по мере совершенствования методов и средств проектирования и управления все более высокие требования предъявляются и к модельным представлениям разрабатываемых систем. При этом важным шагом в повышении адекватности моделей реальным объектам является переход к моделированию динамических процессов с учетом нелинейности внутренних связей компонентов системы.

Значительный вклад в становление и развитие методов и средств математического моделирования электромеханических преобразователей внесли отечественные ученые-электромеханики А. В. Иванов-Смоленский, И. П. Копылов,.

В. А. Кузнецов, И. Н. Орлов, Р. В. Фильц и многие другие. В их работах были сформированы теоретические основы создания и практического использования математических моделей динамических процессов в решении задач анализа рабочих показателей электромеханических преобразователей.

Существенно в меньшей мере проработаны в электромеханике вопросы поиска и исследования алгоритмов эффективного управления с учетом адекватного моделирования основных компонентов сложных ЭМС, в состав которых кроме основного системообразующего компонента могут включаться разнообразные преобразователи электрической, механической и других видов энергии, устройства контроля, управления, защиты и пр. В опубликованных работах, в основном ориентированных на применение упрощенных моделей, как правило, не находят отражения взаимосвязи электромеханического преобразователя с другими элементами системы и не в полной мере отражаются как внутренние связи, характеризующие функциональные свойства компонентов ЭМС, так и существенные связи между этими компонентами.

В то же время представляется целесообразным на различных стадиях проектирования или поиска эффективных управляющих воздействий использовать модели различной степени сложности и адекватности, что подталкивает к необходимости создания целой совокупности моделей ЭМС различной степени детализации.

Таким образом, развитие методов и средств моделирования ЭМС с целью поиска и исследования алгоритмов их эффективного управления остается актуальной задачей и служит важным резервом совершенствования теории и практики применения электромеханических объектов.

Целью работы является создание совокупности математических и компьютерных моделей динамических процессов, определяющих уровень функциональных показателей электромеханических систем, а также применение этих моделей для поиска и исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС.

Достижение поставленной цели предполагает конкретизацию и решение следующих основных задач: определение состава, свойств и средств разработки моделей электромеханических систем с учетом динамических процессовразработка компьютерных моделей динамических процессов в электромеханических преобразователях, преобразователях электрической и механической энергии как компонентах ЭМСсоздание комплексной имитационной модели функционирования ЭМС, допускающей изменение структуры, состава компонентов и моделируемых условий работы системыпоиск условий и алгоритмов эффективного управления ЭМС электропривода в установившихся и переходных режимах работыреализация совокупности разработанных моделей в форме компонентов прикладного программного обеспечения для исследования ЭМСэкспериментальная проверка найденных алгоритмов эффективного управления с применением автоматизированного лабораторного оборудования.

В первом разделе работы на основе анализа современных направлений развития теории и практики ЭМС определяются потребности и значение поиска эффективных алгоритмов управления ЭМС, рассматривается современные достижения в области управления и моделирования ЭМС и их компонентов, формулируются нерешенные проблемы, обосновывается выбор асинхронного частотно-регулируемого электропривода в качестве конкретного объекта исследований, определяется цель и основные задачи работы.

Во втором разделе приводится обоснование требований, предъявляемых к составу, свойствам и средствам разработки компьютерных моделей компонентов ЭМС. Далее рассматриваются особенности математического и компьютерного моделирования электромеханических преобразователей, преобразователей электрической энергии, механической и тепловой подсистем и других компонентов ЭМС.

Третий раздел посвящен поиску алгоритмов эффективного управления ЭМС. Здесь рассматриваются особенности формирования компьютерных моделей ЭМС, позволяющих исследовать алгоритмы управления в установившихся и переходных режимах работы. Приводятся примеры нахождения условий эффективного управления в установившихся режимах работы при изменении внешних воздействий и в переходных режимах при заданных ограничениях.

Последний раздел посвящен применению разработанного набора компьютерных моделей ЭМС для поиска алгоритмов эффективного управления в различных режимах работы и их экспериментальному подтверждению с целью доказательства пригодности разработанных моделей ЭМС для данной сферы исследовательской деятельности.

Методы исследования. Решение задач моделирования динамических процессов в электромеханических системах базируются на теории обобщенной электрической машины, а также на свойстве аналогии математического описания динамических процессов в подсистемах различной физической природы. При этом рассматриваются процессы в системах с сосредоточенными параметрами, а их модельное представление формируется в рамках теории электрических цепей. В качестве универсального средства моделирования применяется пакет программ анализа электрических и электронных цепей PSpice. Разработка компонентов прикладного программного обеспечения проводилась с применением методов объектно-ориентированного программирования и соответствующих инструментальных программных средств.

Научная новизна работы заключается в следующем: обоснована структура и форма представления математических моделей компонентов электромеханических систем, предназначенных для поиска алгоритмов эффективного управленияразработан комплекс имитационных моделей динамических режимов работы ЭМС, включающий модели электромеханических преобразователей, преобразователей электрический энергии в составе выпрямителя, конвертора, инвертора, фильтров, а также реальных механических связей между электрической машиной и исполнительными механизмамипоказаны возможность и целесообразность применения универсальных программных средств анализа электрических и электронных цепей для имитационного моделирования динамических процессов в сложных электромеханических системах с учетом взаимного влияния и изменения параметров компонентов в процессе функционирования системыразработаны и исследованы алгоритмы эффективного управления ЭМС в установившихся и переходных режимах работы.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанный комплекс компьютерных моделей компонентов ЭМС реализован на ЭВМ с помощью программы анализа электрических и электронных цепей PSpice в виде универсального описания структуры системы и развитой библиотеки подмоделей, открытой для развития и совершенствования. Для облегчения создания модели ЭМС из моделей компонентов разработан специальный пользовательский интерфейс. Применение разработанных компьютерных моделей позволяет принимать обоснованные проектные и исследовательские решения с учетом динамических процессов, протекающих в ЭМС, нелинейных связей между элементами системы и нелинейных зависимостей их параметров и проводить поиск и исследование алгоритмов эффективного управления.

Диссертационная работа является частью комплекса научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой «Электротехнические комплексы автономных объектов» и направленных на развитие методов и средств автоматизации проектирования и исследования электромеханических систем различного назначения. Результаты работы нашли применение при создании автоматизированного комплекса, предназначенного для исследования электромеханических систем в режиме многопользовательского удаленного доступа, а также при создании программного обеспечения лабораторного практикума по учебной дисциплине «Компьютерное моделирование электромеханических систем».

Апробация работы. Результаты, полученные при выполнении диссертации, докладывались и получили одобрение научной общественности при проведении Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, октябрь 1995 г.), научно-практического семинара «Вентильные электромеханические системы. Рынок. Наука. Производство» (Москва, сентябрь 1996 г.), научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, февраль 1997 г.), научно-технической конференции «Электротехнические комплексы автономных объектов» (Москва, октябрь 1997 г.), III Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Клязьма, 1998), на заседании кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института. Результаты работы были отмечены первой премией в конкурсе МЭИ на лучшую разработку новых информационных технологий для учебного процесса за 1996 г., а также благодарностью Оргкомитета Международной выставки «Современная учебная техника» EDUCOM-97 (Санкт-Петербург, ноябрь 1997 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в пяти печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, 16 приложений и содержит 157 страниц основного текста, 10 таблиц и 36 рисунков.

1. Экспериментальные исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС проводились на базе автоматизированного исследовательского комплекса в составе совокупности программных и аппаратных средств, позволяющих осуще ствлять натурные и модельные исследования различных режимов работы ЭМС. Широкий спектр возможностей получения и обработки результатов моделирова ния и эксперимента обеспечивается применением универсальных профаммных средств.2. Результатами натурных исследований подтверждена адекватность разра ботанной компьютерной модели ЭМС, учитывающей динамические электромаг нитные процессы, протекающие в электрическом и электромеханическом преоб разователях, а также изменение внутренних параметров под воздействием эф фекта насыщения стали. При этом максимальное расхождение результатов экспе римента и моделирования составляет не более 10%.3. Проведены экспериментальные исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС в установившихся режимах. При этом использовались получен ные с помощью компьютерных моделей ЭП с экстремальным регулятором значе ния напряжения и частоты питания электродвигателя, при которых достигается минимальное значение потребляемой мощности при изменении внешних воздей ствий. Полученные результаты подтвердили правильность найденных алгоритмов и, соответственно, пригодность компьютерных моделей ЭМС для исследований условий эффективной работы ЭМС в установившихся режимах. В результате ис следований были найдены такие режимы питания при различных значениях угло вой скорости ротора и момента нагрузки, для которых потребляемая мощность была снижена до 2 раз по сравнению с номинальным режимом питания.4. Подтверждены экспериментальными результатами алгоритмы эффектив ного управления ЭМС в переходных режимах, полученные на основе компьютер ных моделей. Исследовались режимы пуска с минимальным временем разгона при ограничениях напряжения питания и потребляемого тока и режим пуска с минимальным энергопотреблением при постоянном угловом ускорении и момен те сопротивления. Даже при весьма малых значениях максимально допустимого напряжения {U^ax = U"OM) И максимально допустимого тока (/"^ = ho.") время раз гона удалось сократить в 1,8 раз при одновременном снижении энергопотребле ния. Гораздо большего снижения энергопотребления можно добиться, осуществ ляя разгон электродвигателя с постоянным ускорением по алгоритму, получен ному с помощью компьютерной модели ЭМС, что подтверждает ее работоспо собность в данной области исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненной работы состоят в следующем:

1. Обзор трудов, освещающих современные направления развития теории и практики ЭМС и конкретно состояние и проблемы создания и применения управ ляемых электроприводов переменного тока, свидетельствует о том, что в настоя щее время в недостаточно полной мере отражаются системные свойства ЭМС при поиске условий и алгоритмов эффективного управления. Существует потребность в математических моделях ЭМС, учитывающих динамические электромагнитные процессы и нелинейности внутренних параметров.2. Разработаны математические и компьютерные модели ЭМП в фазной не преобразованной системе координат для расчета переходных процессов с учетом насыщения стали по пути главного магнитного потока. Возможно моделирование различных схем включения обмоток ЭМП.

3. Разработаны математические и компьютерные модели различных компо нентов ЭМС, таких кактрехфазный мостовой инвертор со 180(120)-градусной коммутацией ключей, однофазный выпрямитель с входным фильтром, конвертор с ШИМ, источники идеального гармонического сигнала, механическая передача с учетом конечной жесткости вала и люфта. Кроме того разработана модель для оценки теплового состояния компонентов ЭМС с целью учета изменения пара метров под воздействием температурного нагрева.4. Разработанные модели компонентов ЭМС объединены в единую структур ную схему модульного типа, позволяющую без труда изменять содержимое каж дого модуля, постоянно обновляя библиотеку моделей. Подобная компоновка по зволяет исследовать поведение ЭМС при различных схемах и алгоритмах пита ния и внешних возмущениях, полностью учитывая взаимное влияние элементов системы друг на друга.5. Показаны широкие возможности использования универсальных программ ных средств применительно к моделированию ЭМС.

6. На основе разработанных моделей осуществлена программная реализация подсистемы моделирования ЭМС в рамках автоматизированного комплекса, предназначенного для исследования ЭМС.

7. Проведен поиск алгоритмов эффективного управления электроприводом в установившихся режимах работы. Предложенный алгоритм, основанный на ис пользовании поискового метода и осуществляемый посредством применения экс тремального регулятора потребляемой мощности приводит к снижению потреб ляемой мощности в установившихся режимах работы.8. Проведен поиск условий эффективного управления электроприводом в пе реходных режимах работы. Предложенные алгоритмы управления позволяют осуществить программный частотный разгон асинхронного двигателя. В резуль тате исследований были найдены алгоритмы управления, сокращающие время разгона до 2 раз при одновременном снижении энергопотребления, а также сни жающие энергопотребление в 2 раза по сравнению с прямым пуском при одно временном обеспечении качества механического переходного процесса.9. Практическими исследованиями, проведенными на автоматизированном стенде для исследования ЭМС, доказана работоспособность разработанных ком пьютерных моделей применительно к задачам поиска и исследования алгоритмов эффективного управления в различных режимах работы. Дальнейшее развитие работ по данной тематике целесообразно проводить в следующих направлениях:

1. Разработка математических моделей в реальном масштабе времени, предна значенных для использования в различных идентификационных схемах, системах с управлением по модели, наблюдателях и т. п.2. Учет специфики микропроцессорного управления, заключающейся в суще ствовании определенного времени запаздывания и дискретности обрабатываемых сигналов при моделировании алгоритмов управления ЭМС.

3. Дальнейшее расширение и пополнение набора математических и компью терных моделей компонентов ЭМС.

4. Комплексное применение в рамках систем автоматизированного проекти рования подсистемы оптимизации и разработанной подсистемы моделирования ЭМС, что позволит повысить уровень качества принимаемых проектных реше ний.5. Построение моделей управления ЭМС при широком изменении условий ее работы.