Электротехнические перекачивающие устройства на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей

Разработка ССУ устройством для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя сводится к синтезу ОНФ для оценки вектора состояния выходных управляющих (детерминированных) и возмущающих (случайных) параметров, функционально связанных с вектором входных параметров, и детерминированного оптимального регулятора. Для синтеза ОНФ использован метод оценивания случайных дискретных последовательностей, основанный на регрессионном анализе и вейвлет-преобразовании, обеспечивающий нахождение -мерной векторной функции измерений, исходя из условия минимизации критерия J, для которого оптимальная оценка представляет собой условное математическое ожидание , где для произвольных случайных последовательностей , и , является в общем случае нелинейной относительно измерений функцией.

Для этого метода cмоделирована реализация , , , для вейвлета Добеши 4 с уровнем разложения 7, показывающая, что точность оценивания с помощью вейвлет-алгоритма мало отличается от предельно достижимой точности оптимального нелинейного байесовского алгоритма. Следует отметить, что практическая реализация метода связана с высокой сложностью вычислений, так как алгоритм является нерекуррентным и в процессе вычислений требуется проводить последовательную оценку, т.е. при поступлении в момент времени t_i новых измерений имеющаяся оценка не может быть использована, необходимо формировать новый вектор измерений и затем полностью повторять процедуру вычислений для оценки .

Проектирование ДОР с помощью классических подходов требует построения математической модели, учитывающей большое число параметров, введения перекрестных связей в структуру регулятора для достижения требуемого качества управления, учета возможных нелинейностей системы, вследствие чего результирующий регулятор оказывается сложным и дорогим, поэтому для построения ДОР СЭТУ используется система нечеткого вывода, позволяющая синтезировать сложные контуры регулирования без проведения объемных математических исследований. При использовании в качестве ДОР нечеткого регулятора (НР), вырабатывающего сигналы управления при воздействии внешних и/или внутренних возмущений, НР содержит как минимум два входа и два выхода. На один вход подается, например, сигнал пропорциональный температуре, на другой - сигнал пропорциональный ее производной. В работе реализованы структурные схемы замкнутой системы подчиненного регулирования с нечетким регулятором в контурах тока и скорости с использованием алгоритмов нечеткого вывода по Мамдани и Сугено.

Следует отметить, что электротехнические устройства для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя характеризуются нелинейными и динамическими процессами и создание для них классических регуляторов, требующих автоматической настройки с учетом нелинейности, большого числа входных переменных и перекрестных связей является сложной задачей. Аппарат нечеткой логики позволяет учитывать все отмеченные факторы.

Задача синтеза нечеткого регулятора для ТЭМП может рассматриваться как подбор вида и взаимного расположения термов в диапазонах изменения входных и выходных величин, а также как создание необходимых правил, связывающих состояния входов и выходов. Примерами таких задач является регулирование температуры, давления теплоносителя и связанной с ним производительности ТЭМП.

ДОР является выходным элементом СУ и совместно с ОНФ обеспечивает заданный режим работы СЭТУ, реализуя неизвестное отображение:

при наличии обучающего множества .

Введение критерия оптимальности в виде функции ошибки для j-го рассматриваемого значения вида позволяет использовать градиентный метод оптимизации для подстройки параметров заданных предикатных правил.

Синтез регуляторов в подчиненных структурах в среде Matlab обеспечивает заданные характеристики системы, в которой ОУ разбивается на ряд динамических звеньев для каждого из которых синтезируется свой регулятор. Для исполнительных элементов устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя динамические процессы делятся на два вида: электромеханические (высокочастотные) и тепловые (низкочастотные). Таким образом, процессы изменения производительности (давления), которая определяется скоростью вращения ВЭ, и температуры являются разнотемповыми, и синтез регулятора производительности и температуры можно рассматривать как синтез двух независимых частей: регулятора производительности (давления) и регулятора температуры соответственно с настройкой на технический и симметричный оптимумы.

Непосредственная реализация НР (рис.16, 17), выполненная с использованием алгоритмов Мамдани и Сугено на основе эвристических правил, использующих результаты численного и физического моделирования, позволяет получить решение задачи синтеза ССУ, известной в классической теории управления как задача синтеза управляющих воздействий, для решения которой использованы средства нечеткой логики и теории нечетких множеств, в виде зависимостей напряжения и частоты от температуры и ее производной.

Рис. 16 Визуализация поверхности напряжения u

Рис. 17 Визуализация поверхности частоты f

Рис. 18 Переходные процессы в ТЭМП

На рис. 18 показаны переходные процессы (ПП) по давлению при настройке регулятора на технический оптимум: а) единичный скачок задающего воздействия; б) разность между задающим воздействием и сигналом обратной связи; в) кривая 1 является сигналом на выходе непрерывной системы, который представляет собой давление на выходе ТЭМП, кривая 2 - на выходе цифровой системы; г) разность сигналов непрерывной и цифровой частей; д) угловая частота на выходе цифровой части; е) сигнал на выходе блока Zero-Order Hold. Из графиков определяются прямые показате-ли качества переходного процес-са: перерегулирование, время первого согласования, время переходного процесса и запас устойчивости системы. Сравнение ПП, полученных для разных схем регуляторов показывает, что все они имеют близкие показатели качества по точности и времени ПП, за исключением перерегулирования, при этом в НР легко учесть первую и вторую производные температуры и давления, что обеспечивает энергосберегающие режимы работы ЭТУ.

Анализ интегральных характеристик результатов моделирования ЭТУ с использованием НР, реализующего любой из алгоритмов вывода, позволяет сделать вывод о повышении качества переходных режимов (время выхода на установившийся режим, точность регулирования, устойчивость к внешним возмущениям), а построение систем управления на основе технологий нечеткого вывода дает существенно более простое решение при требуемом качестве процессов управления.

В пятой главе приведены технологические основы изготовления основных элементов устройства с учетом его конструкционных особенностей, обуславливающих необходимость поэтапного рассмотрения и обоснования технологических процессов, среди которых основное значение имеет изготовление неподвижной части исполнительного элемента, представляющей собой капсулированный изоляционным антифрикционным самосмазывающимся материалом статор, выполняющий также функции подшипника скольжения. Капсулирование статора исполнительного элемента включает подготовку исходных компонентов наполнителей, смолы, отвердителя, композиционного состава и подготовку основы; смешивание эпоксидной смолы с наполнителями и получение композиции; дозирование композиции и отвердителя; их смешивание и подачу для формирования элемента скольжения; формирование полимерной заготовки; армирование; отверждение ПКМ, термообработку и механическую обработку.

Заключительным этапом технологического процесса является исследование физико-механических и триботехнических характеристик, определяющих механическую прочность исполнительного элемента. Анализ результатов измерений прочности материала, образующего поверхность скольжения, показывает, что средняя прочность на растяжение составляет около 42 МПа, на сжатие - 88 МПа. Коэффициент трения (давление 2,5...15 МПа; скорость скольжения 2...6 м/с; температура масла 30...100 °С) составляет 0,03…0,12, что обеспечивает средний ресурс работы вращающихся элементов не менее 40 тыс. час.

В шестой главе рассмотрены вопросы надежности, учитывающие конструкционные и эксплуатационные особенности работы устройства для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, в частности возможность длительного воздействия повышенных температур на основные элементы устройства. Анализ конструкции (например, отсутствие традиционных подшипниковых узлов) и учет особенностей эксплуатации макетных образцов позволяет обратиться к известной модели «слабейшего звена», учитывающей отказы изоляции обмоток статора, из которых более половины носит эксплуатационный характер и зависит не только от уровня воздействующих на изоляцию обмоток нагрузок, но и от сочетания конструктивных и эксплуатационных факторов. Для обмоток ТЭМП факторами, воздействующими на изоляцию, выбраны температура, механические (вибрация) и термомеханические нагрузки, электрические перенапряжения. По результатам статистической обработки экспериментальных данных получены регрессионные модели приращения дефектности витковой и корпусной изоляции обмоток и скорости роста дефектов в витковой изоляции, которые позволяют определять показатели надежности ЭТУ для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя на этапе проектирования с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов транспортных систем.

В седьмой главе приведены результаты экспериментальных исследований с использованием информационно-измерительного комплекса. Возможность исследования регулировочных характеристик обеспечивается интеграцией в структурную схему привода переменного тока регулируемой частоты. Для количественного и качественного анализа основных выходных характеристик ЭТУ и сравнения теоретических и экспериментальных данных рассматриваются три группы параметров: электромагнитные, тепловые и механические (гидравлические).

Измерение температуры рабочей среды производится с помощью термопар типа ТХК, устанавливаемых непосредственно в проточную часть и на теплоотдающие поверхности ЭТУ. Определение производительности осуществляется на основе измерения скорости вращения ВЭ с использованием интегрированной среды разработки цифровых устройств MAX+PLUS II BASELINE для проектирования и реализации диагностической системы на основе высокоскоростных программируемых логических интегральных схем. При измерении давления учитывается, что расчетный диапазон его изменения приближенно составляет 0,01 - 0,5 МПа, что определяет выбор датчика динамического давления PS01-01, усилителя заряда и программного обеспечения (ПО) PowerGraph 2.1. В качестве аналого-цифрового преобразователя использован модуль АЦП-ЦАП 16/16 Sigma USB с ПО ZETLab.

Экспериментальные исследования проведены для двух типов исполнительных устройств: без внутренних ферромагнитных элементов (ФЭ) и с установленными ФЭ. Отсутствие в устройстве для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя ФЭ обуславливает значительно более высокие (в 5-7 раз) значения тока статора, чем у базовых асинхронных двигателей, при этом изменение тока при переходе от режима холостого хода к режиму короткого замыкания не превышает 5..8 %, а мощности - 10…12 %, что указывает на существенную тепловую нагрузку.

С увеличением частоты питающего напряжения температура нагрева нелинейно возрастает, причем регулировка температуры без существенного ухудшения механических параметров при отсутствии внутренних ФЭ осуществляется в диапазоне частоты до 50…60 Гц, при этом изменение частоты как при работе под нагрузкой, так и в режиме холостого хода, приводит к практически прямо пропорциональному изменению скорости вращения ВЭ и определяет целесообразный диапазон регулирования выходных характеристик. С увеличением частоты свыше 75 Гц доля тепловых потерь существенно увеличивается, что приводит к уменьшению механической мощности и момента, развиваемого ВЭ, и при частотах близких к 100 Гц практически вся подводимая к устройству для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя без внутренних ферромагнитных элементов мощность переходит в тепловую.

Использование внутренних ФЭ приводит к изменению соотношения между тепловой и механической составляющими мощности (рис. 9). При неизменной толщине ФЭ их длина оказывает значительное влияние на потребляемые устройством ток и мощность. В частности, для опытного варианта устройства при номинальном напряжении потребляемая мощность уменьшается в 1,6 раза при использовании ФЭ длиной 20 мм и в 2 раза при длине 60 мм. Полученные данные, аппроксимированные кубической сплайн-интерполяцией, позволяют определить относительный диапазон длин ФЭ, составляющий приближенно 0,25…0,70 электрически активной длины ВЭ, в котором достигается повышение производительности без существенного изменения условий теплоотдачи с поверхности НЭ. Технические параметры опытного варианта устройства: мощность - 1,8 кВт; номинальное фазное напряжение - 220 В; ток статора - 8,28 А; коэффициент мощности - 0,329; температура теплоносителя (трансформаторное масло) - 92 єС; производительность - 0,0055 м³/мин; давление - 0,15 МПа. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в исследованном диапазоне основных эксплуатационных характеристик устройства показывает, что с учетом принятых допущений они согласуются между собой, что подтверждает как адекватность полученных математических моделей, так и возможность их использования при разработке электротехнических перекачивающих устройств на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей в транспортных системах.

Основные результаты и выводы

1. В работе решена крупная научно-техническая проблема обеспечения заданных температурных условий в вагонах на пассажирском железнодорожном транспорте путем создания нового класса электротехнических устройств, совмещающих функции генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, и синтеза систем управления этими устройствами.

2. Разработаны теоретические способы учета особенностей преобразования электрической энергии в тепловую и механическую в электротехнических устройствах, обеспечивающих генерацию тепловой энергии и транспортирование теплоносителя с заданными температурой, производительностью или давлением.

3. Теоретически обоснованы принципы конструирования и на их основе предложены конструкции устройств, совмещающих функции генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, реализованные в виде теплогенерирующих электромеханических преобразователей энергии с короткозамкнутыми вторичными обмотками, характеризующихся высокой степенью электробезопасности и надежности применительно к пассажирскому железнодорожному транспорту.

4. Получены и подтверждены экспериментально математические модели электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов, позволяющие проектировать устройства для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя с требуемыми эксплуатационными показателями.

5. На основе принципа разделения обоснован способ построения и синтезирована система управления электротехническими перекачивающими устройствами на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей, реализованная в виде последовательно соединенных оптимального нелинейного фильтра и детерминированного оптимального регулятора.

6. Разработан способ и технология изготовления исполнительных элементов электротехнических устройств для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, обеспечивающие их высокую технологичность, степень готовности и удобство монтажа применительно к объектам транспортного назначения.

7. Обоснован метод, разработана инженерная методика экспериментального определения надежности и получены регрессионные модели, позволяющие на этапе проектирования прогнозировать показатели безотказности ЭТУ с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов транспортных систем.

8. Разработана автоматизированная система научных исследований, контроля и испытаний, обеспечивающая возможность получения экспериментальных результатов, согласующихся с расчетными значениями выходных параметров рассмотренных устройств.

9. Разработаны рекомендации и приведены примеры использования электротехнических перекачивающих устройств на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей в системах отопления пассажирского железнодорожного транспорта.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Иванов, С.Н. Использование электромеханических преобразователей в качестве устройств электронагрева / С.Н.Иванов // Научно-технические ведомости СПбГТУ. Основной выпуск. 2008. № 3. С. 246-252.

2. Иванов, С.Н. Проектирование элементов электротехнических комплексов для систем отопления транспортного назначения / С.Н.Иванов // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2010. Выпуск 3. С. 105-113.

3. Иванов, С.Н. Системы управления электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя / С.Н.Иванов // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2010. Выпуск 3. С. 249-257.

4. Пащенко, Ф.Ф. Синтез систем управления электромеханическими преобразователями / Ф.Ф. Пащенко, О.С. Амосов, С.Н. Иванов // Датчики и системы / Sensors & Systems. 2006. № 8. С. 18-24.

5. Иванов, С.Н. Математическое моделирование устройств генерирования тепловой энергии на основе электромеханического преобразователя с разделенными нагревательными элементами / С.Н. Иванов, О.С. Амосов, А.В. Еськова // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. Спец. вып. Математическое моделирование и компьютерные технологии. 2006. С. 32-35.

6. Ким К.К. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь/ К.К. Ким, С.Н. Иванов, И.М. Карпова// Электротехника. 2008. № 9. С. 46-52.

7. Ким К.К. Основы проектирования гидроэлектродинамических теплогенераторов / К.К. Ким, С.Н. Иванов, С.В. Уханов // Электро. Электроэнергетика. Электротехника. Электротехническая промышленность. 2008. № 4. С. 14-16.

8. Ким, К.К. Некоторые вопросы определения показателей надежности теплогенерирующих электромеханических преобразователей / К.К. Ким, С.Н. Иванов // Изв.ВУЗ. Электромеханика. 2008. № 6. С. 13-17.

9. Иванов, С.Н. Определение параметров теплогенерирующих электромеханических преобразователей / С.Н. Иванов, С.В. Уханов // Энергоснабжение и водоподготовка. 2009. №1(57). С.56-61.

10. Ким, К.К. Новая система отопления пассажирского вагона / К.К. Ким, С.Н. Иванов// Железнодорожный транспорт. 2009. №2. С.46.

11. Амосов, О.С. Синтез оптимальных систем управления электромеханическим теплогенерирующим комплексом / О.С. Амосов, Л.Н. Амосова, С.Н. Иванов// Информатика и системы правления. 2009. №1(19). С. 73-83.

12. Ким, К.К. К вопросу определения механической характеристики теплового электромеханического преобразователя / К.К. Ким, С.Н. Иванов // Электротехника. 2009. № 8. С. 47-54.

13. Иванов, С.Н. Моделирование и управление электромеханическими теплогенераторами на основе нейросетевых и нечетких алгоритмов / К.К. Ким, С.Н. Иванов, Л.Н. Амосова // Электричество. 2009. № 10. С. 36-40.

14. Иванов, С.Н. Аппаратное обеспечение формирования базы знаний нечеткой системы управления тепловым процессом в электромеханическом преобразователе /С.Н. Иванов, К.К. Ким // Электроника и электрооборудование транспорта. 2010. №1. С. 2-8.

15. Ким, К.К. Регулирование теплового режима купейного вагона / К.К. Ким, О.С. Амосов, С.Н. Иванов // Мир транспорта. 2010. № 2. С. 96-101.

Монографии:

16. Иванов, С.Н. Теплогенерирующие электромеханические устройства и комплексы / С.Н. Иванов, К.К. Ким, В.М. Кузьмин. СПб.: Издательство ОМ-Пресс, 2009. 347 с.

Патенты на изобретения и полезные модели:

17. Пат. № 50741 Российская Федерация, МПК⁷ Н 05 В 6/10, F 25 В 29/00. Управляемый теплогенерирующий электромеханический преобразователь [Текст] / О.С. Амосов, С.Н. Иванов, Ф.Ф. Пащенко.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. № 2005123300/22; заявл. 21.07.2005; опубл. 20.01.2006. Бюл. № 16.2 с.

18. Пат. № 78747 Российская Федерация, МПК В 61 D 27/00. Система отопления пассажирского вагона [Текст] / К.К. Ким, С.Н. Иванов.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщения. 2008128704/22(035417); заявл.14.07.2008;опубл. 10.12.08.Бюл. № 34. 2 с.

19. Пат. № 85425 Российская Федерация, МПК В 61 D 27/00. Система отопления пассажирского вагона [Текст] / К.К.Ким, С.Н. Иванов, Н.А. Кудинова.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщения. № 2009112596/22(017199); заявл. 06.04.2009; опубл. 10.08.09.Бюл. № 22. 2 с.

20. Пат. № 85426 Российская Федерация, МПК В 61 D 27/00. Автоматизированная система отопления пассажирского вагона [Текст] / К.К.Ким, С.Н. Иванов, Л.Н. Амосова, Н.А. Кудинова.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщения.№ 2009112597/22(017200); заявл. 06.04.2009; опубл. 10.08.09.Бюл. № 22. 2 с.

21. Пат. № 85428 Российская Федерация, МПК В 61 D 27/00. Система отопления пассажирского вагона [Текст] / К.К.Ким, С.Н. Иванов, Н.А. Кудинова.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщения. № 2009112612/22(017215); заявл. 06.04.2009; опубл. 10.08.09.Бюл. № 22. 2 с.

22. Пат. № 87855 Российская Федерация, МПК⁷ Н 05 В 6/10. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь [Текст] / К.К. Ким, С.Н. Иванов, С.В. Уханов.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщения. № 2008115841/22; заявл. 21.04.2008; опубл. 20.10.09. Бюл. № 29. 2 с.

Свидетельства о регистрации программ:

23. Иванов С.Н., Еськова А.В., Амосов О.С., Уханов С.В. Свидетельство об официальной регистрации программы «Расчет температуры в неподвижном нагревательном элементе ЭМПРЭ» для ЭВМ № 2006612895. Заявка № 2006611934. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.08.2006.

Статьи:

24. Иванов, С.Н. Разработка теплогенерирующих электромеханических преобразователей /С.Н. Иванов, О.С. Амосов, А.В. Еськова // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: XI Международная научно-техническая конференция; 1-2 марта 2005 г. 6 в 3 ч. М.: МЭИ, 2005. Ч.2. С. 338-339.

25. Иванов, С.Н. Особенности разработки и проектирования теплогенерирующих устройств на основе электромеханических преобразователей энергии / С.Н. Иванов, В.М. Кузьмин, А.В. Еськова // Современные техника и технологии: XI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 29 марта-2 апреля 2005 г. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2005. Т. 1. С. 297-299.

26. Иванов, С.Н. Оценка параметров витковой изоляции, определяющих надежность обмоток асинхронных двигателей / В.В. Пыхтин, С.Н. Иванов, В.Н. Лешков // Вестник Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет (ГОУВПО «УПИ»): вып. 5 (25) в 2 ч.: сб. науч. тр. Екатеринбург: ГОУВПО «УПИ», 2003. Ч.1.С. 359-362.

27. Ким, К.К. Теплогенерирующая электромеханическая система отопления пассажирского вагона / К.К. Ким, С.Н. Иванов // Наука и транспорт. 2009. С.44-46.

28. Иванов, С.Н. Оптимальное управление теплогенерирующим электромеханическим преобразователем/ С.Н. Иванов, О.С. Амосов, Л.Н. Амосова // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сборник научных трудов. Вып.17. Магнитогорск: ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», 2009. С. 128 - 134.

29. Иванов, С.Н. Информационное обеспечение доказательства адекватности математической модели электромеханического теплогенератора / С.Н. Иванов, А.В. Еськова, С.В. Уханов// Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2008. С. 77-79.

Тезисы докладов:

30. Иванов, С.Н. Разработка и исследование нового класса теплогенераторов на основе электромеханического преобразователя с разделенными нагревательными элементами/ С.Н. Иванов, О.С. Амосов, Л.Н. Амосова// XXXI Дальневосточная математическая школа-семинар им. академика Е.В.Золотова: тез. докл. Владивосток: Дальнаука, 2006. С. 107.

31. Иванов, С.Н. Энергосберегающая система электроотопления пассажирского вагона / К. К. Ким, С.Н. Иванов, М. Т. Никифоров // Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте: тезисы докладов Пятого Международного симпозиума; Санкт-Петербург, 20-23 октября 2009 г. Санкт-Петербург: ПГУПС, 2009. С. 94.

Личный вклад С.Н. Иванова в указанные труды состоит в разработке теоретических положений, принципов конструирования, математических моделей электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов, разработке системы управления, методов оценки надежности, аппаратном обеспечении формирования базы знаний нечеткой системы управления электротехническими перекачивающими устройствами на основе электромеханических теплогенерирующих преобразователей.

Размещено на Allbest.ru