Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Мелихов Артем Юрьевич. Автоматизация процессов управления плавным пуском асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06 / Мелихов Артем Юрьевич; [Место защиты: Орлов. гос. техн. ун-т].- Орел, 2007.- 180 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/4916

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 7

Глава 1. Анализ современных тенденций автоматизации процессов
электромеханического преобразования энергии в устройстве плавного пуска
электропривода насосной станции системы водоснабжения 16

  1. Типовая структура системы водоснабжения 16

  2. АСУ плавным пуском электропривода насосной станции системы водоснабжения 20

  1. Функции и структура 20

  2. Формирование траекторий управления пуско-тормозными режимами 28

  3. Анализ основных показателей переходных процессов пуска АД 32

1.3. Структура математической модели АСУ плавным пуском АД
насосной станции 36

Результаты и выводы по главе 39

Глава 2. Построение математической модели процесса преобразования
энергии в АСУ плавным пуском АД насосной станции : 41

2.1. Модель системы импульсно-фазового управления тиристорным
преобразователем напряжения асинхронного двигателя 41

  1. Структурная схема ТПН-АД. Моделирование несимметричных режимов подключения АД к сети питания 41

  2. Разработка численного алгоритма моделирования системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения, снижающего затраты машинного времени 48

  1. Система импульсно-фазового управления ТПН-АД с двумя типами синхронизации 58

  2. Исследование показателей качества стационарных и переходных режимов системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения с двумя типами синхронизации 67

  1. Математическая модель трансформаторной подстанции 75

  2. Упрощенная тепловая модель АД 79

  3. Математическая модель насосной нагрузки 83

  4. Модель неустановившегося движения жидкости 87

  1. Построение модели неустановившегося движения жидкости в трубопроводе произвольной конфигурации 87

  2. Интегрирование уравнений неустановившегося движения жидкости методом характеристик 92

Результаты и выводы по главе 95

Глава 3. Постановка и проведение физического и численного
экспериментальных исследований процесса преобразования энергии в АСУ
плавным пуском АД насосной станции 99

3.1. Постановка и проведение экспериментального исследования УПП АД

на базе ТПН с СИФУ, синхронизированной по напряжению сети 99

  1. Постановка экспериментального исследования 99

  2. Экспериментальное исследование пуска АД с УПП. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования 104

3.2. Проведение численного эксперимента с моделями компонентов
АСУППАД 108

3.2.1. Энергетическая подсистема АСУПП АД 108

  1. Гидравлическая подсистема АСУПП АД 114

  2. Моделирование нестационарного нагрева обмоток АД 125

Результаты и выводы по главе 129

Глава 4. Разработка адаптивного алгоритма управления плавным пуском
асинхронных двигателей насосной станции. Постановка и проведение
численного эксперимента 133

  1. Разработка адаптивного алгоритма управления плавным пуском АД насосной станции 133

  2. Разработка программного обеспечения системы управления и мониторинга АСУПП АД. Постановка и проведение численного эксперимента 140

Результаты и выводы по главе 150

Заключение 152

Список литературы 155

Приложение А 173

Приложение Б 174

Приложение В 177

Приложение Г 179

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АД - асинхронный двигатель АСУ - автоматизированная система управления

АСУПП АД - автоматизированная система управления плавным пуском асинхронных двигателей

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом АЭП - автоматизированный электропривод ВМРК - вложенный метод Рунге-Кутта ГУ - граничные условия ИПС - интервал постоянства структуры ЛЭП - линия электропередач ММ - математическая модель МРК - метод Рунге-Кутта НА - насосный агрегат HP - несимметричный режим НС - насосная станция НУ - начальное условие

ОДУ - обыкновенное дифференциальное уравнение ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина СИФУ - система импульсно-фазового управления СКМ - система компьютерной математики СН - синхронизация по напряжению сети СОДУ - система обыкновенных дифференциальных уравнений СТ - синхронизация по току нагрузки ТП - трансформаторная подстанция ТПН - тиристорный преобразователь напряжения УПП - устройство плавного пуска

ІуП, А - ударный пусковой ток АД Іп, А - пусковой ток (по данным производителя)

Iy, А - уставка тока при управлении УПП по алгоритму с ограничением по току Тп, с - продолжительность переходного процесса ЛРтах, Па - наибольший прирост давления в трубопроводе -Ртах,Доп5 Па - максимально допустимая величина прироста давления в трубопроводе

соГіУ, рад-с"1 - установившееся значение угловой скорости ротора АД Мс, Н-м - момент сопротивления на валу АД Рн, Вт - номинальная мощность АД Мн, Н-м - номинальный электромагнитный момент АД h уп - коэффициент кратности тока при управляемом пуске /„, А - номинальный ток статорных обмоток АД

діуп, % - относительная погрешность вычисления амплитуды максимального переходного (ударного) тока

6S, С - мгновенная температура статорных обмоток АД

А4іах,доп> В - максимально допустимая величина падения номинального напряжения в сети

сог, рад-с"1 - мгновенная угловая скорость ротора АД @тах-> С - максимальная температура обмоток статора АД <9тах,дотС - предельно допустимое среднее значение температуры статорных обмоток АД

Введение к работе:

В настоящее время автоматизация технологических процессов электромеханического преобразования энергии продолжает развиваться по трем основным направлениям: повышение надежности, энергоэффективности и экономичности [1, 3, 14, 73, 100, 102]. Эта тенденция принимает особое значение в тех сферах промышленности и народного хозяйства, в которых основу технологических процессов составляет асинхронный электропривод (АЭП) исполнительных механизмов. Ярким примером в данном случае служит АЭП турбоме-ханизмов (вентиляторы, компрессоры, насосы и др.), который по различным оценкам потребляет до 25% всей вырабатываемой электроэнергии [14, 142].

В части энергии, потребляемой турбомеханизмами, наибольшая доля принадлежит центробежным насосам, применяющимся в основном для транспортирования жидкостей в системах водоснабжения, водоотведения и магистральных трубопроводах. Это обстоятельство на фоне стремительного повышения тарифов на электроэнергию придает особую актуальность проблеме автоматизации и энергосбережения в системе коммунального и промышленного водоснабжения.

Решение задачи автоматизации насосных станций (НС) системы водоснабжения в первую очередь связано с выбором и применением такого типа АЭП, который позволит удовлетворить требования технологического процесса к надежности, энергоэффективности и экономичности. Благодаря высокой надежности, удовлетворительным стоимостным, массогабаритным и регулировочным показателям широкое распространение для автоматизации НС получил асинхронный электропривод без обратной связи по скорости с системой им-пульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения (СИФУ-ТГШ) [12,21, 37, 38, 90].

Основы теории АЭП с СИФУ-ТПН были заложены в конце 60-х, начале 70-х годов XX века. В настоящее время развитие этого направление продолжается рядом отечественных и зарубежных научных школ: И.Я. Браславский, A.M. Зюзев, А.В. Костылев и др. (Уральский ГТУ); А.К. Загорский, В.И. Радин и др. (АО ВНИИЭ); В.И. Хрисанов (СПБ ГУ телекоммуникаций), Р. Бржезин-ский (Технический университет г. Зелона Гура (Польша)); О.А. Андрющенко, А.А. Бойко и др. (Одесский Национальный политехнический университет); N.A. Demerdash, В. Mirafzal, M.G. Solveson (Университет Маркетта, Милуоки, шт. Висконсин); Gurkan Zenginobuz, Isik Cadirci, и др. (Средневосточный технический университет г. Анкары (Турция)); Ю.В. Колоколов, С.Л. Косчинский и др. (Орловский государственный технический университет совместно с ЗАО «Электротекс» г. Орел).

Главное назначение АЭП насосного агрегата заключается в том, что бы сформировать такую траекторию пуска (останова) двигателя насоса от начальной (номинальной) скорости до номинальной (начальной), которая, с одной стороны, обеспечит ограничение температуры статорных обмоток, а также бросков тока в статорных обмотках и знакопеременных колебаний электромагнитного момента двигателя, с другой стороны, ограничит прирост давления в трубопроводе до допустимого значения. Сущность указанной выше задачи привела к тому, что АЭП, обеспечивающий ее решение, получил название устройства плавного пуска (УПП).

Современный уровень разработки УПП характеризуется унификацией их силовой части. В этой связи, повышение эффективности процессов преобразования электромеханической энергии в УПП в большей степени связано с усовершенствованием алгоритмов формирования пуско-тормозных траекторий асинхронных двигателей (АД).

В значительной части публикаций, посвященных разработке новых алгоритмов плавного пуска АД, основное внимание уделяется вопросам ограниче-

ния свободных составляющих токов статорных обмоток и электромагнитного момента на валу АД в переходных режимах. Однако проблема взаимосвязи энергоэффективности управления плавным пуском АД и вводимых при этом ограничений фактически не рассматривается. Это обстоятельство затрудняет разработку новых энергоэффективных алгоритмов управления плавным пуском АД, что обуславливает актуальность и практическую значимость диссертационной работы.

Объект исследования: процесс электромеханического преобразования энергии в устройстве плавного пуска асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения.

Предмет исследования: процесс управления преобразованием энергии в устройстве плавного пуска, построенном на базе разомкнутой по скорости существенно-нелинейной системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения асинхронного двигателя.

Цель диссертационной работы: сокращение потерь электрической энергии в обмотках асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения при управляемом формировании пуско-тормозных траекторий. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

сформулировать ограничения и определить критерий эффективности процессов электромеханического преобразования энергии в устройстве плавного пуска АД насосной станции;

разработать математическую модель и методику моделирования процесса преобразования электромеханической энергии в устройстве плавного пуска асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения;

разработать алгоритм управления плавным пуском асинхронных двигателей, позволяющий сократить потери электрической энергии в их обмотках при удовлетворении ограничений, накладываемых на показатели переход-

ных процессов преобразования электромеханической энергии в АЭП насосной станции системы водоснабжения;

- провести экспериментальное исследование адекватности математической
модели системы «электрическая сеть - УПП - АД - насос - трубопровод».

На основании указанной цели и перечисленных задач содержание диссертационной работы разбито на четыре главы. В первой главе:

описана типовая структура, цель и функции АСУ системы водоснабжения в целом и подсистемы АСУ электропривода - АСУ плавным пуском насосных агрегатов, в частности;

проведен анализ состава и обоснование выбора составляющих структуры автоматизированной системы управления плавным пуском (АСУПП) АД;

дано определение эффективности целевого функционирования АСУПП АД, перечислены ограничения, накладываемые на процесс формирования пуско-тормозных траекторий асинхронных двигателей;

проведен анализ алгоритмов управления плавным пуском асинхронных двигателей;

выявлена взаимосвязь показателей переходных процессов в УПП-АД с энергетическими потерями;

приведена структура математической модели АСУПП АД; сформулированы требования к ее составляющим;

в итоге сформулирована постановка цели и задач исследования подходов к снижению энергетических потерь в обмотках АД при управляемом формировании пуско-тормозных траекторий насосных агрегатов.

Во второй главе:

предложен подход к описанию несимметричного подключения АД к сети переменного тока;

разработан численный алгоритм для сокращения затрат машинного времени при интегрировании модели СИФУ-ТПН-АД в переходных режимах;

проведен анализ технико-экономических показателей и показателей качества статических и динамических режимов СИФУ-ТПН-АД с двумя типами синхронизации: по напряжению сети и току нагрузки;

приведена модель трансформаторной подстанции с нагрузкой в виде асинхронных двигателей, функционирующих в номинальном режиме;

приведена упрощенная тепловая математическая модель асинхронного двигателя;

описано получение математической модели насосной нагрузки для переходных и установившихся режимов;

описано получение математической модели неустановившегося движения жидкости в трубопроводе произвольной конфигурации; рассмотрен метод интегрирования такой модели.

Третья глава посвящена постановке и проведению экспериментального исследования составляющих математической модели АСУПП АД насосной станции с целью проверки адекватности разработанных математических моделей. В третьей главе:

осуществлена постановка и проведение физического и численного экспериментальных исследований пуска АД с УПП на экспериментальной установке, смонтированной в проблемной лаборатории динамики импульсных систем преобразования энергии кафедры «ПТЭиВС» ОрелГТУ;

проведено численное моделирование нестационарного нагрева обмоток АД, функционирования энергетической и гидравлической подсистем АСУПП АД насосной станции системы водоснабжения;

проведено обоснование выбора среды программирования для реализации математической модели и алгоритма управления АСУПП.

В четвертой главе:

- разработан адаптивный алгоритм плавного пуска асинхронных двигателей
насосных агрегатов;

разработано программное обеспечение системы управления и мониторинга АСУППАД;

проведено численное экспериментальное исследование переходных процессов пуска АД типовой насосной станции системы водоснабжения.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

адаптивный алгоритм управления плавным пуском асинхронных двигателей, позволяющий сократить потери электрической энергии в обмотках АД, посредством расчета уставки максимального переходного тока с учетом ограничений, накладываемых требованиями безопасности, и текущего состояния процесса электромеханического преобразования энергии в системе «электрическая сеть - УПП - АД - насос - трубопровод»;

комплекс математических моделей и методика моделирования процессов электромеханического преобразования энергии в УПП АД типовой насосной станции системы водоснабжения при неустановившемся движении жидкости в трубопроводе произвольной конфигурации, позволяющие воспроизводить и исследовать условия протекания переходных процессов в системе «электрическая сеть - УПП - АД - насос - трубопровод» с минимальными затратами машинного времени.

Научная новизна. В работе решена задача автоматизации процессов управления плавным пуском асинхронных двигателей насосной станции системы водоснабжения. В том числе:

- разработан адаптивный алгоритм управления плавным пуском асинхронных
двигателей, основанный на формировании программы пуска последователь
но для каждого асинхронного двигателя насосной станции с учетом текуще
го значения переменных состояния системы импульсно-фазового управле
ния тиристорным преобразователем напряжения АД и гидравлической под
системы насосной станции, реализованных в виде математических моделей,
встроенных в алгоритм.

Разработан оптимальный (по критерию затрат машинного времени) алгоритм численного интегрирования математической модели системы им-пульсно-фазового управления тиристорным преобразователем напряжения (СИФУ-ТПН) асинхронного двигателя, основанный на адаптации разностного метода интегрирования к текущему состоянию модели.

Разработана методика моделирования плавного пуска АД насосной станции системы водоснабжения, включающая в свой состав адаптивный алгоритм управления плавным пуском АД и оптимальный алгоритм интегрирования модели СИФУ-ТПН-АД, и, позволяющая с минимальными затратами машинного времени проводить исследования переходных процессов электромеханического преобразования энергии в системе «электрическая сеть -УПП - АД - насос - трубопровод» при неустановившемся движении жидкости в трубопроводе произвольной конфигурации.

Практическая значимость. Программная реализация предложенной математической модели, методики моделирования и адаптивного алгоритма управления плавным пуском АД позволяет сократить потери энергии в обмотках двигателей в переходных режимах путем внедрения и использования разработанного программного обеспечения на автоматизированном рабочем месте диспетчера насосной станции.

Методы и средства исследования. При проведении исследования использовались методы теоретической электротехники, электромеханики, теории импульсных систем автоматического управления, теории устойчивости, теоретической и прикладной гидродинамики, численные методы интегрирования дифференциальных уравнений, методы прикладной статистики. Проведение аналитических преобразований при получении символического представления модели СИФУ-ТПН-АД выполнено с помощью средств пакета расширения Symbolic Math Toolbox системы компьютерной математики "MATLAB 7.4" (The Math Works, Inc.). В этой же среде осуществлена разработка программного

обеспечения АСУПП АД насосной станции с целью проведения численных экспериментальных исследований. Натуральные экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке, смонтированной в проблемной лаборатории динамики импульсных систем преобразования энергии кафедры «ПТЭиВС» ОрелГТУ.

Реализация работы. Математические модели, методика моделирования и адаптивный алгоритм управления плавным пуском АД, предложенные в диссертационной работе, составляют основу пакета прикладных программ, предназначенных для интерактивного управления, мониторинга и диагностики автоматизированной системы управления плавным пуском асинхронных двигателей типовой насосной станции системы водоснабжения.

Апробация работы. Изложенные в настоящей диссертационной работе материалы докладывались на: третьем международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах» в 2004 г., всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» в 2004 г., международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» в 2004 г. и 2006 г., десятой и одиннадцатой международных студенческих олимпиадах по автоматическому управлению (Балтийская олимпиада - ВОАС-2004, ВОАС-2006) в 2004 г. и 2006 г. соответственно, всероссийской научной конференции «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии» в 2004 г., всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (УИТ-2005) в 2005 г., международной конференции «Высокие технологии энергосбережения» в 2005 г., третьей международной научной конференции по физике и управлению (The 3rd International IEEE Scientific Conference on Physics and Control - PhysCon 2007) в 2007 г., третьем

международном семинаре «Периодические системы управления» (3rd IF АС Workshop Periodic Control Systems (PSYCO'07)) в 2007 г.

Публикации по теме исследования. По результатам исследования опубликовано 14 работ, в том числе две статьи (из них одна статья в российском журнале, рекомендованном ВАК РФ для публикации результатов научных исследований).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 180 страницах и включает в свой состав оглавление, введение, четыре главы собственных исследований, заключение, список литературы из 152 наименований и 4 Приложения. Работа проиллюстрирована 54 рисунками и содержит 7 таблиц.

Подобные работы
Тимофеев Дмитрий Юрьевич
Автоматизация и управление процессом стружкодробления на основе предварительного термического воздействия на обрабатываемый материал
Шведов Николай Георгиевич
Автоматизация и управление процессом многолезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системы
Крюков Игорь Иванович
Автоматизация и управление процессами проектирования и производства специальных кварцевых оптических волокон
Попов Дмитрий Иванович
Комплексная автоматизация и управление процессами аттестации персонала промышленных предприятий
Мырзин Глеб Семенович
Автоматизация и управление процессом технического обслуживания системы технологических трубопроводов
Касьянов Юрий Васильевич
Автоматизация и управление технологическим процессом ректификации КССЖ в производстве спирта
Левыкин Михаил Павлович
Автоматизация и управление технологическими процессами многономенклатурного производства специализированной обуви
Белоусов Александр Владимирович
Автоматизация и управление вентиляционными процессами на базе электростатической фильтрации газовоздушных сред
Сарданашвили Сергей Александрович
Автоматизация процесса принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортной отрасли
Катков Олег Николаевич
Автоматизация процесса верификации абонентов АСУ с речевым управлением

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net