Минимизация энергетических затрат при управлении параллельной работой инерционных объектов на общую нагрузку

• Автор: Лепёшкин, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 106 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Параллельная работа инерционных исполнительных устройств при разных условиях их связи с общей нагрузкой

1.1. Жесткая связь с нагрузкой

1.2. Нежесткая связь с нагрузкой

1.3. Особенности динамики параллельной работы инерционных исполнительных устройств при нежесткой связи их с общей нагрузкой
1.3.1. Динамическое представление одного из параллельно работающих исполнительных устройств
1.3.2. Устойчивость и качество параллельной работы на общую нагрузку двух инерционных исполнительных устройств
1.3.3. Устойчивость и качество параллельной работы на общую нагрузку п инерционных исполнительных устройств
1.4. Энергетическая эффективность параллельной работы инерционных исполнительных устройств при нежесткой связи их с общей нагрузкой
1.5. Выводы
Глава 2. Минимизация энергетических затрат при управлении параллельной работой инерционных исполнительных устройств на примере электрических двигателей
2.1. Поиск максимального КПД на примере двигателя постоянного тока
2.1.1. Поиск максимума КПД как функции нагрузки
2.1.2. Поиск максимума КПД как функции управления
2.1.3. Поиск максимума КПД как функции угловой скорости
2.1.4. Иллюстрация полученных результатов на практическом примере
2.2. Поиск максимального КПД для систем с одинаковыми двигателями
2.2.1. Поиск максимального КПД для системы из двух двигателей
2.2.2. Поиск максимального КПД для системы из N+1 двигателей
2.2.3. Проверка результатов на практическом примере
2.3. Параллельная работа разнотипных двигателей
2.3.1. Поиск максимального КПД для системы из двух двигателей
2.3.2. Поиск максимального КПД для системы из п двигателей
2.4. Выводы
Глава 3. Повышение энергетической эффективности параллельной работы инерционных исполнительных устройств с использованием дополнительного экстремального регулятора
3.1. Построение системы для исследования
3.2. Разработка алгоритма экстремального регулятора
3.3. Моделирование работы системы с экстремальным регулятором
3.4. Проверка результатов работы экстремального регулятора
3.5. Выводы
Глава 4. Энергетическая эффективность параллельной работы электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) в составе компрессорного цеха (КЦ)
4.1. Описание ЭГПА и их устройство
4.2. Особенности моделирования параллельной работы ЭГПА
4.3. Задачи, решаемые с помощью моделирования электроприводных газоперекачивающих агрегатов
4.3.1. Исследование влияния различных режимов загрузки компрессоров на энергопотребление КЦ
4.3.2. Построение тренажеров отдельного ЭГПА и КЦ
4.3.3. Применение экстремального регулятора для снижения энергопотребления КЦ с агрегатами с неидентичными характеристиками
4.4. Выводы
Заключение
Литература

Введение
Актуальность работы
Системы управления, в которых исполнительные устройства работают параллельно на общую нагрузку, на практике находят широкое распространение. К таким системам можно отнести следящие системы (приводы) [15, 16, 64] с несколькими исполнительными двигателями, передающими свои развиваемые моменты нагрузке через последнюю общую ступень силового редуктора. Другим примером могут служить электростанции, в которых синхронные генераторы работают на общую электрическую сеть. При этом паровые турбины, которые вращают роторы синхронных генераторов, являются совместно с парогенераторами параллельно работающими системами стабилизации частоты вращения [12]. Сюда также можно отнести параллельно работающие системы бесперебойного питания [56, 30-33, 35]. В трубопроводном транспорте параллельно работающие на общую трубу компрессоры (например, газоперекачивающие агрегаты (ГПА)), также работают на общую нагрузку [28,29, 51]. Во всех перечисленных примерах одним из важнейших требований, предъявляемым к системам, является их энергетическая эффективность или способность работы на максимуме КПД в разных режимах работы и при разбросе параметров между отдельными параллельно работающими исполнительными элементами или системами.
Характерной особенностью рассматриваемых исполнительных элементов, а так же и систем с подобными элементами является их инерционность. Под инерционным объектом в данной работе будем понимать объект, одна из постоянных времени которого существенно превалирует над остальными. В этом случае динамика такого элемента достаточно хорошо описывается дифференциальным уравнением 1-го порядка для рабочей полосы частот.

Подобное свойство может быть естественным, например для исполнительного двигателя постоянного тока при якорном управлении, либо может быть реализовано за счет настройки параметров, например, при управлении частотой вращения синхронного двигателя с помощью частотного регулятора. В дальнейшем будем называть подобные элементы и системы, параллельно работающие на общую нагрузку инерционными исполнительными элементами или объектами.
В системах управления встречаются различные исполнительные устройства. Устройства такого типа включают: электрические двигатели, электрические, пневматические или гидравлические приводы, релейные устройства, электростатические двигатели, хватающие механизмы роботов, приводы их движущихся частей, а также многие другие. Все они воздействуют на процесс в соответствии с получаемым ими управляющим воздействием. Соответственно, их функционирование связано с превращением энергии из одного вида в другой. В реальной жизни такое превращение почти всегда происходит с некоторым коэффициентом полезного действия, значение которого всегда меньше единицы. Это значит, что часть подводимой к исполнительному устройству энергии теряется, т.е. переходит не в нужную форму, а в некоторую побочную, чаще всего - в тепло.
Если количество теряемой энергии относительно невелико, то КПД исполнительного устройства, зачастую, не очень важно учитывать по сравнению с другими его свойствами, например весом, компактностью, быстродействием и т.п. Однако если мощность исполнительных устройств измеряется в десятках мегаватт, то КПД имеет высокое экономическое значение. В таких случаях экономия даже единиц процентов мощности - это хороший результат. К таким объектам можно отнести парогенераторы, газоперекачивающие агрегаты и другие объекты. В таком случае возникает вопрос об их энергетической эффективности. Энергетическая эффективность — это рациональное использование энергетических ресурсов, т.е.

множитель 1,2. При недостижении главной уставки - производительности цеха значение цены увеличивается. Таким образом задаются условия нахождения оптимального соотношения коэффициентов распределения нагрузки 7^1.
Оптимизационный алгоритм изменяет значения коэффициентов 7л каждого ГПА, тем самым перераспределяя производительность между агрегатами.
Коэффициенты технического состояния определяются по формулам, принятым для расчета в ООО Мострансгаз. Для коэффициента технического состояния нагнетателя формула имеет вид:
р- _-I
*ЧЯХ£(ХЭ'Х “ 1 I
/пС^1НС)
где: г|Пол(пас)- паспортный политропический КПД нагнетателя;
Лпол - политропический КПД нагнетателя.
Таким образом, регулятор режима функционирует в автоматическом режиме и обладает избыточной информацией для самонастройки.
В заключение отметим, что, как правило, параллельно работающие объекты редко работают на пределе и имеют некоторый резерв свободной мощности. Учитывая то, что зачастую характеристики объектов изначально или вследствие износа не идентичны, то с помощью этого резерва можно осуществить такое перераспределение нагрузки между объектами, которое приведет к снижению общей потребляемой мощности всей системой при сохранении мощности, отдаваемой в нагрузку. Другими словами, это приведет к росту КПД всей системы, а следовательно, и к повышению экономической эффективности её работы. Такой подход рассмотрен в данной главе на примерах барабанных котлов в составе ТЭЦ и газоперекачивающих агрегатов в составе компрессорного цеха.
Решение задачи перераспределения нагрузки между параллельно работающими объектами в аналитическом виде требует как минимум знания текущих характеристик объектов, что уже зачастую невозможно на