Разработка и исследование динамической модели параллельно работающих электромеханических систем гарантированного питания

Актуальность проблемы:

Системы гарантированного питания (СГП) могут быть интегрированы в предприятия, технологическое оборудование которых предъявляет высокие требования к качеству электроэнергии сети, недопустимость кратковременных провалов, искажений, пульсаций и исчезновений напряжения. С другой стороны, рассматриваемая система рекомендуется для установления на предприятиях, имеющих потребителей энергии, вносящих искажения напряжения в сеть, например, импульсные потребители энергии, сварочные и металлургические производства, вентильные преобразователи и т. д. Вращающиеся электромеханические преобразователи энергии, на базе синхронных машин специального исполнения, обеспечивают гарантированное энергоснабжение ответственных потребителей энергии при кратковременных до 100 миллисекунд исчезновениях напряжений питающей сети, а также сглаживание нелинейных искажений и пульсаций напряжений сети, вызванных включением импульсных потребителей энергии, нелинейных нагрузок и т. д.

В настоящее время на автоматизированных рабочих местах (АРМ) в органах государственной власти и учреждениях обычно устанавливаются устройства бесперебойного питания, позволяющие сохранять работоспособность АРМа в течении непродолжительного времени в случае внезапного отказа питающей промышленной сети. Однако применение источников бесперебойного питания не решает проблемы безопасности по следующим причинам:

1. Отсутствие информационной защищенности от проникновения в память компьютера через промышленную сеть;

2. Относительно невысокая надежность;

3. Невозможность переключения на автономные источники энергии в случае отключения промышленной сети.

Защиту АРМа от несанкционированного доступа можно осуществить, физически отделив промышленную сеть от ЭВМ. Для этого между промышленной сетью и ЭВМ включается система последовательно соединенных между собой двигателя и генератора постоянного тока. Преобразование электрической энергии в механическую, а затем снова в электрическую, реализуемое в данной системе, позволяет решить проблему безопасности путем физического размыкания электрической цепи.

Существуют системы бесперебойного питания статического преобразования, которые дешевле и проще в эксплуатации, однако в них не достигается требуемый уровень информационной безопасности.

Можно реализовать систему с одним двигателем и генератором, но лучше сделать так, чтобы в системе можно было подключать дополнительные генераторы при пиковых нагрузках, а не завышать мощность одного. Генераторы в процессе работы могут меняться ролями, когда один является основным, а остальные — резервными. Таким образом, решается проблема равномерного износа механических частей агрегатов, что удлиняет срок службы установки и повышает ее надежность.

Макетный образец системы стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока с экономичным управляющим устройством не обладает требуемым качеством управления по возбуждению. В данном случае предпочтение отдается управлению по возбуждению. При этом система становится существенно нелинейной. Важными поэтому являются вопросы анализа и синтеза управляющего устройства такой системы с целью обеспечения нужного качества управления.

Требует также специального рассмотрения анализ и синтез параллельно работающих на общую нагрузку систем гарантированного питания. Частично эти вопросы отражены в базовых работах по электроэнергетике (школа Веникова В. А и др.), где в основном рассматриваются «быстрые» процессы в электрических системах, объединенных в единую сеть. Спецификой энергосистем являются длинные электрические линии между станциями. Существующие методики не рассматривают параллельную работу однотипных систем стабилизации с общей нагрузкой.

Здесь же интерес представляют относительно «медленные» процессы, определяемые динамикой системы стабилизации скорости двигателя под воздействием механического момента, порождаемого генератором.

Для этой цели необходимо разработать математическое описание и модель параллельно работающих систем и провести анализ и синтез различных режимов.

Целью диссертационной работы является разработка нелинейной динамической модели параллельно работающих электромеханических систем гарантированного питания и модельное исследование работы системы бесперебойного питания во всех режимах (выравнивание скоростей, ввод в синхронизм и подключение к нагрузке, выравнивание нагрузки между СГП).

В соответствии с указанной целью определены следующие задачи:

1. Обзор особенностей анализа систем бесперебойного питания (СБП), включающий принципы построения различных СБП и анализ работы однотипных СГП на общую нагрузку;

2. Моделирование, анализ и синтез электромеханической СГП;

3. Исследование устойчивости и качества параллельной работы двух, трех и более СГП;

4. Моделирование работы СГП, включающее моделирование параллельной работы двух и трех СГП в режимах вхождения в синхронизм и перераспределения нагрузки между СГП.

В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследований: метод модулирующих функцийметоды линеаризации нелинейных систем в окрестностях рабочего режима, для идентификации параметров этих системметоды анализа систем управления в частотной областиметоды анализа и синтеза систем управления во временной и частотной областях.

Достоверность теоретических разработок подтверждена вычислительными экспериментами и экспериментами на реальных объектах, результаты которых позволяют сделать вывод о работоспособности предлагаемых методов анализа и синтеза нелинейных систем стабилизации работающих на общую нагрузку, и адекватности получаемых моделей. Научная новизна.

1. Предложены нелинейная математическая динамическая модель системы гарантированного питания на базе двигателя постоянного тока с управлением по возбуждению и метод идентификации ее параметров по экспериментальным данным.

2. Предложен способ линеаризации нелинейной СГП и на базе этой модели метод синтеза корректирующей обратной связи по току якоря.

3. Разработана общая модель для п параллельно работающих однотипных СГП, проведен анализ условия устойчивой работы таких систем.

Практическая значимость:

1. Разработанные нелинейная модель СГП на базе двигателя постоянного тока и на ее базе линеаризованная модель позволяют синтезировать управляющее устройство системы с обеспечением требуемой точности и качества.

2. Модель системы с параллельно работающими СГП позволяет исследовать и производить настройки режимов работы системы, таких как: выравнивание скоростей, ввод в синхронизм и подключение к нагрузке, перераспределение нагрузки, отключение системы.

Внедрение результатов работы: Основные исследования работы выполнялись в рамках госбюджетных НИР, получивших гранты Минобразования России в 2000;2004 годах по разделу конкурса 3: «Автоматика, телемеханика, вычислительная техника, связь, метрология» и проводились на предприятии ФГУП «ГОКБ «Прожектор» в период с 2000 по 2004 г. Результаты диссертационной работы используются на предприятии для налаживания систем гарантированного питания.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Информационные средства и технологии» Международного форума информатизации МФИ-2000, на 7-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001), международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на рубеже веков» (Москва, 2001), на международной конференции «Информационные средства и технологии» Международного форума информатизации-2002 (Москва, 2002), на международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, 2004), на международном научно-технического семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта-Самара, 2005).

Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 6 работ.

Содержание работы.

В первом разделе рассматриваются принципы построения СБПСБП с электромеханическими автономными СГП, вводятся в рассмотрение уравнения динамики СГП и показывается проблема синтеза управляющего устройства для СГП, как существенно нелинейной системы. Проводится обзор методов анализа устойчивости параллельной работы однотипных СГП на общую нагрузку. Обосновывается необходимость разработки методов анализа и синтеза параллельно работающих однотипных СГП на общую нагрузку.

Во втором разделе предложены: нелинейная динамическая модель системы гарантированного питания на базе двигателя постоянного тока с управлением по возбуждению и методика оценки параметров модели по экспериментальным даннымспособ линеаризации исходной модели в окрестности точки рабочего режима и структурная схема линеаризованной системыметод коррекции линеаризованной, обеспечивающий меньшую колебательность системы, идентичный введению жесткой обратной связи, увеличивающей величину статизма в зависимости от действия нагрузочного момента. Показано, что введение обратной связи по производной от тока якоря в сигнал управления аналогичен введению гибкой обратной связи и приводит увеличению длительности переходных процессов при неизменности величины статизма.

В третьем разделе предложен принцип построения структурных схем параллельно работающих на общую нагрузку переменного тока однотипных систем гарантированного питания, проведено исследование устойчивости параллельно работающих на общую нагрузку СГП и показано, что устойчивость в автономном режиме может быть оценено по линейной динамической модели, причем порядок характеристического уравнения оказывается на единицу выше порядка характеристического уравнения отдельно взятой СГП. Показано, что устойчивость параллельно работающих на общую нагрузку однотипных СГП как нелинейной системы зависит от соотношения уставок на входах СГП и может быть нарушена при дискретном изменении уставки той СГП, которая начинает принимать на себя момент нагрузки в процессе выравнивания. При выравнивании нагрузок на двигатели СГП необходимо сделать одинаковыми уставки для всех СГП. При этом статизм системы по скорости уменьшится в п раз, где п — число параллельно работающих СГП.

Четвертый раздел диссертации посвящен модельному исследованию работы как одной СГП, так и динамике параллельной работы СГП. Моделирование позволяет сравнить результаты теоретических исследований предыдущих глав и результаты имитационного моделирования как линеаризованных аналогов СГП, так и СГП, описываемых системами нелинейных дифференциальных уравнений. Для реализации математических моделей была использована современная исследовательская среда та^аЬ 6.5 и в частности пакет БтиНпк. Разработана модель СГП на базе двигателя постоянного тока с управлением по возбуждению при наличии сериесных обмоток. Проведено моделирование параллельной работы двух и трех СГП как в простейшем представлении в виде апериодических или колебательных звеньев, так и при полном математическом описании работы СГП в режимах вхождения в синхронизм и перераспределения нагрузки между СГП.

В заключении приводятся основные результаты работы.

В приложении приведен акт об использовании диссертации.

4.5. Выводы.

1. Разработана с использованием пакета Ма11аЬ 6.5 модель СГП на базе двигателя постоянного тока с управлением по возбуждению при наличии сериесных обмоток.

2. Проведено моделирование параллельной работы двух и трех СГП как в простейшем представлении в виде апериодических или колебательных звеньев, так и при полном математическом описании работы СГП.

3. Результаты моделирования систем показывают их устойчивую работу и возможность перераспределения нагрузки между ними во всех режимах работы, что подтверждает результаты проведенных теоретических исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований были получены следующие научные и практические результаты:

1. Был проведен анализ существующих методов анализа работы однотипных систем стабилизации скоростей приводных двигателей синхронных генераторов, когда последние включены на общую нагрузку и показана неработоспособность этих методов при условии стабилизации напряжения на нагрузке.

2. Разработана нелинейная математическая модель системы гарантированного питания на базе двигателя постоянного тока с управлением по возбуждению и предложена методика идентификации параметров модели по экспериментальным данным.

3. Предложен способ линеаризации нелинейной модели системы гарантированного питания в окрестности рабочего режима и на ее базе предложен метод синтеза корректирующей обратной связи по току якоря идентичный введению жесткой или гибкой обратной связи. Проведена проверка эффективности такой коррекции на нелинейной модели и на реальной системе.

4. Предложена единая модель параллельной работы нескольких СГП на общую нагрузку и показано, что для однотипных СГП порядок общего характеристического уравнения системы увеличивается на единицу по сравнению с порядком характеристического уравнения одной составляющей СГП.

5. Показано, что разброс до 20% параметров передаточных функций СГП, входящих в состав системы мало влияет на устойчивость по сравнению с работой системы с СГП с одинаковыми параметрами.

6. Разработана и реализована в среде МаЙаЬ 6.2 модель системы бесперебойного питания со всеми режимами (выравнивании скоростей, ввод в синхронизм и подключение к нагрузке, выравнивание нагрузки между.

СГП). Для 2-х и 3-х параллельно работающих СГП полученная модель позволяет выбрать требуемый интервал времени для проведения режимов и подобрать скорости проведения операции по выравниванию нагрузки и скоростей приводных двигателей.

7. Результаты диссертационной работы были использованы при коррекции реальной СГП с использованием обратной связи по току якоря и при построении системы из 2-х параллельно работающих СГП.