Автоматизированный электропривод диффузионного аппарата ПДС-20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автоматизированный электропривод диффузионного аппарата ПДС-20

Общая характеристика работы

Актуальность. Аппараты, в которых производится экстрагирование из твердого вещества, нашли широкое распространение в сахарной промышленности и называются диффузионными. В диффузионных аппаратах сахар извлекается из свекловичной стружки при помощи экстрагирующей жидкости. От этого процесса в значительной мере зависят и производительность завода, и потери сахара не только в процессе экстрагирования, но и на других стадиях свеклосахарного производства.

В производственных условиях диффузионные аппараты должны обеспечивать:

- обессахаривание наиболее толстой свекловичной стружки при равномерном ее обтекании диффузионным соком;

- строго противоточное перемещение свекловичной стружки и диффузионного сока;

- минимальные потери сахара в отходах (жоме) при максимальной концентрации диффузионного сока;

- высокое качество диффузионного сока при минимальном содержании в нем мезги.

Существующая конструкция диффузионного аппарата ПДС - 20 и его электроприводы на базе машин постоянного тока недостаточно приспособлены к работе в условиях автоматизированного производства и не обеспечивают требуемой надёжности работы, так как секции якорной обмотки машины непрерывно замыкаются накоротко в процессе коммутации, вызывая тем самым, большие токи короткого замыкания в последних.

Применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода вместо электропривода постоянного тока позволяет решить многие проблемы автоматизации производства, в частности, создать замкнутые системы автоматического управления с возможностью точного поддержания заданных технологических параметров, повышения надёжности работы электропривода и обеспечения экономии электроэнергии. Более того, если учесть, что при изменении частоты питающего напряжения параметры асинхронных двигателей (АД) соответственно (хотя и незначительно) меняются, то их механические характеристики наилучшим образом «деформируются», улучшая картину пускового режима.

Таким образом, система частотного управления АД с функциями регулирования, реализованными на информационном уровне, универсальной силовой частью и согласованными с ними аппаратными и метрологическими средствами, математическим и программным обеспечением является актуальной задачей.

Целью работы является разработка и математическое моделирование частотно-управляемого асинхронного электропривода с переменными параметрами для диффузионного аппарата ПДС - 20.

При этом важным является то обстоятельство, что замена существующего электропривода постоянного тока частотно-регулируемым асинхронным электроприводом обеспечивает: более широкий диапазон регулирования скорости технологического процесса и снижение потребления электроэнергии до 10-15%. Помимо этого важным является тот факт, что создание замкнутой системы асинхронного электропривода с возможностью точного поддержания заданных технологических параметров позволяет значительно повысить надежность и долговечность работы оборудования и качество продукции.

Методы и средства выполнения исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач используются общепринятые методы теории автоматического управления, автоматизированного ЭП, аналитического и численного решений дифференциальных уравнений. В теоретических исследованиях используется теория электромагнитного поля и теория обобщенного электромеханического преобразователя энергии при частотном управлении, метод синтеза электрических машин, методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений, методы математического моделирования электромагнитных и электромеханических процессов.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе получены новые научные результаты:

- обоснована целесообразность разработки индивидуального частотно-управляемого асинхронного электропривода для диффузионных аппаратов взамен применяемого в настоящее время группового электропривода постоянного тока;

- обоснован выбор рационального закона частотного управления электроприводом диффузионного аппарата;

- получены основополагающие аналитические соотношения для частотно-управляемого электропривода диффузионного аппарата;

- выполнено математическое моделирование частотно-управляемого асинхронного электропривода диффузионного аппарата и выявлена взаимосвязь основных параметров и характеристик электропривода диффузионного аппарата;

- разработана структурная взаимосвязь различных частотно-управляемых электроприводов диффузионных аппаратов ПДС - 20, обеспечивающих высокую производительность технологического процесса.

Практическая ценность работы. Выполненные в настоящей работе исследования позволяют решать практические задачи разработки, проектирования и эксплуатации электроприводов диффузионных аппаратов. Полученные в работе результаты позволяют решать следующие практические задачи:

- оценить существующие электропривода постоянного тока для диффузионных аппаратов ПДС с точки зрения надежности их работы, полученных энергетических характеристик и качества работы;

- создавать перспективные, высоконадёжные и экономически выгодные частотно-управляемые электропривода для диффузионных аппаратов;

- разработать индивидуальный частотно-управляемый асинхронный электропривод, имеющий улучшенные энергетические, регулировочные и технико-экономические характеристики;

- теоретически обосновать и практически выбрать рациональный закон частотного управления разработанным электроприводом;

- разработать структурную схему взаимосвязанных электроприводов диффузионного аппарата ПДС - 20.

Реализация результатов работы. Полученные в работе результаты использованы в ОАО «Кристалл - 2» для модернизации станочного парка, в научных отчетах Армавирского механико-технологического института (филиала ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по теме: «Исследование и алгоритмизация электрооборудования, процессов и систем электрики», регистрационный №11.86.1, а также в учебном процессе по курсу «Электропривод» и «Электрические машины», в дипломных проектах по специальности 14.06.10 - Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений.

К защите представляются следующие основные положения.

- обоснование и методики расчета замены широкораспространённого электропривода постоянного тока диффузионного аппарата ПДС - 20 на индивидуальный асинхронный частотно-управляемый электропривод;

- обоснование и выбор системы координатных осей, разработка на этой основе математической модели частотно-управляемого электропривода диффузионного аппарата ПДС - 20 в координатных осях б - в - г;

- комплекс динамических характеристик частотно-управляемого асинхронного электропривода ПДС - 20;

- рациональную структуру асинхронного частотно-управляемого электропривода с микропроцессорным управлением для диффузионных аппаратов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение научной общественности на: межвузовской научно-практической конференции, посвященной 90-летию КубГТУ; международной научной конференции «Технические и технологические системы» Краснодар, 2009; ХХХIХ международной научной конференции «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» Москва, 2009.

Публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных и научно-практических конференциях. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, включая 2 статьи в издании, рекомендованном ВАК. Из них: самостоятельно - 4 работы, в соавторстве - 1 работа и под руководством научного руководителя - 3 работы.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и 6 приложений. Общий объём диссертации 150 с. печатного текста, включая 21 рисунок и 9 таблиц.

Содержание работы

электропривод диффузионный асинхронный автоматизированный

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована решаемая научно-техническая задача, конкретизированы цель и задача исследований, научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, описана структура работы.

В первой главе дан краткий аналитический обзор состояния и развития электропривода диффузионных аппаратов, обоснованы научные подходы и решения по усовершенствованию их электроприводов.

В конце главы поставлены задачи исследований.

Во второй главе даны общие сведения по микропроцессорным системам управления, выбраны её основные элементы.

Технологический процесс характеризуется рядом входных и выходных параметров. На вход управляющей вычислительной машины от соответствующих датчиков (термоэлементов, расходомеров, и др.) поступает информация о текущих значениях параметров y₁, y₂, …, y_n. После обработки этой информации в соответствии с принятым законом управления (алгоритмом управления), определяются величины управляющих воздействий x, которые необходимо приложить к исполнительным механизмам для изменения регулируемых параметров x₁, x₂, …, x_n, с тем чтобы управляемый процесс протекал оптимальным образом.

Реальные промышленные процессы и аппараты часто существенно отличаются от типовых моделей объектов управления ввиду нестационарных условий работы. Разнообразие изменяющихся ситуаций и форм их влияния на объект управления затрудняет изучение подобных объектов с точки зрения их статических и динамических свойств. Можно выделить некоторые часто встречающиеся варианты нестационарных объектов, оценить их характеристики и выбрать методы построения систем управления подобными объектами.

Нестационарные (изменяющиеся во времени) свойства технологического объекта обнаруживаются как у непрерывных, так и у дискретных производственных процессов. Источником нестабильности могут быть изменения качественных показателей сырья или электроэнергии, влияние неучтенных факторов, временной дрейф свойств, нестандартные сочетания нескольких факторов и др. При этом свойства объекта управления могут изменяться как произвольным образом (случайно), так и детерминированно, по известным зависимостям. В общем случае нестационарные условия влияют на характеристики объекта в разной степени, приводя к изменениям либо структуры объекта, либо только его параметров.

Входной переменной является количество вещества, проходящего через объект в единицу времени, т.е. нагрузка на объект. Большая часть проточных аппаратов тепло- и массообмена (экстракторы, смесители, теплообменники, сушильные агрегаты, адсорберы и пр.) работает при переменной нагрузке, вызываемой ограничениями производительности смежных участков производства или периодичностью потребления (например, суточные колебания расхода электро- и водопотребления на бытовые и промышленные нужды). В этих случаях нагрузка влияет на параметры объекта, но в других - сама может быть входным (задающим) сигналом, причем ее изменения влияют на характеристики объекта.

Исходя из вышеперечисленных факторов, рассмотрим диффузионную установку ПДС-20, применяемую на заводе ОАО «Кристалл-2». Диффузионный аппарат является основным оборудованием, определяющим работу всего свеклоперерабатывающего отделения.

Основными параметрами, определяющими экономическую эффективность процесса экстракции сахара из свекловичной стружки, является содержание сахара в диффузионном соке и в удаляемом из аппарата жоме (обессахаренной стружке). Автоматизация процесса диффузии представляет собой одну из наиболее сложных задач в автоматизации технологических процессов свеклосахарного производства. Это объясняется наличием большого числа источников возмущений: расходы свекловичной стружки, экстрагирующей жидкости, греющего пара, качество поступающих продуктов, уровень и температура сокостружечной смеси, скорость вращения транспортирующих шнеков, удельная нагрузка аппарата, а также большого числа неконтролируемых факторов. Были выбраны на основе сравнительного анализа и предыдущего опыта применения частотные преобразователи фирмы «Hitachi» серии SJ300. Для обеспечения автоматизации был принят контроллер фирмы Siemens серии S7-200 с дисплеем TD 200 и модулями EM 231 (для подключения термоэлектронных датчиков к центральным процессорам), EM 232 (для цифро-аналогового преобразования внутренних числовых величин контроллера во внешние аналоговые сигналы). Необходимые части текстовых сообщений и параметры настройки текстового дисплея формируются инструментальными средствами пакета STEP 7-Micro/WIN. Система автоматизации спроектирована трёхуровневой иерархической системой управления. Программируемые логические контроллеры семейства Simatic S7-200 являются хорошим средством для построения высокоэффективных систем автоматического управления при минимальных затратах на приобретение оборудования и разработку системы. Контроллеры способны работать в реальном масштабе времени и могут быть использованы как для построения узлов локальной автоматики, так и систем распределенного ввода-вывода с организацией обмена данными по PPI или MPI интерфейсу, сети PROFIBUS-DP или AS-интерфейсу. Данные типы контроллеров отличаются относительно невысокой стоимостью, широким набором встроенных функций, возможностью расширения системы, широким спектром подключаемых модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов.

В третьей главе проведен сравнительный анализ различных законов управления. Выбрано управление по поддержанию постоянства потокосцепления ротора. Для удобства анализа введены следующие три основных относительных параметра, однозначно определяющие свойства АД при частотном управлении:

- относительная частота питающего напряжения

;

- относительная величина питающего напряжения

;

- относительная частота тока ротора

,

где щ, щ_о - абсолютная и относительная частоты вращения двигателя.

Так как при переменной частоте питающего напряжения все параметры эквивалентной схемы замещения АД, кроме активного сопротивления R₁ статора, изменяются пропорционально частоте тока статора f₁, т.е. параметру управления б. Параметры ротора и , кроме того, изменяются обратно пропорционально частоте ротора в степени , т.е. ?в.

Эквивалентная Г-образная схема замещения с определенными таким образом параметрами представлена на рисунке 1 и положена в основу дальнейших исследований.

Исследование на экстремум дает критические значения абсолютного скольжения - в_к и момента - М_кб.

=

При составлении математической модели были учтены неизбежные межвитковые замыкания в обоих магнитопроводах, вызванные их механической обработкой с целью получения равномерного рабочего зазора.

Рисунок 1. Г-образная схема замещения АД диффузионного аппарата при частотном управлении

Рисунок 2. Механические характеристики АД диффузионного аппарата при пропорциональном законе частотного управления

Последнее учтено введением в обобщенную математическую модель условных короткозамкнутых обмоток (технологических контуров) статора и ротора.

С целью избавления от громоздкого решения с несколькими десятками членов, содержащих периодические коэффициенты и упрощения математической модели машины целесообразно перейти к системе координат б - в - г, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Пространственная электрическая модель приводного АД диффузионной установки в преобразованной системе координатных осей б-в-г: W^s _б-в-г, W^r _б-в-г - число витков фаз статорной и роторной обмоток; W^s _{k б-в-г}, W^r _{k б-в-г} - число витков технологических контуров статора и ротора

Достоинством модели АД (рисунок 3) является то, что в результате анализа переходных процессов в ней получаются естественные (реальные) значения искомых величин (фазных токов, момента, включая его ударные значения, установившиеся значения угловой скорости ротора и любых других искомых функций, в том числе - характеризующих тепловой режим двигателя (если составить соответствующие уравнения теплового баланса двигателя). В неподвижной системе координат б - в - г в воздушном зазоре магнитное поле круговое и его можно представить результирующими векторами. Проецируя результирующие вектора токов ротора, напряжений и потокосцеплений на оси б - в - г статора, можно найти выражения для преобразованных значений этих величин. Величина электромагнитной энергии воздушного зазора W_э асинхронного двигателя (при частотном управлении) диффузионного аппарата согласно рисунка 3 равна:

Тогда электромагнитный момент АД, определенный через электромагнитную энергию, равен:

где р - число пар полюсов двигателя,

И - угол между одноименными осями статора и ротора двигателя.

Подставив выражения токов в уравнения двигателя в трехфазных заторможенных координатах по рисунку 3, получим выражение для электромагнитного момента АД диффузионных аппаратов в виде:

где М - взаимная индуктивность, принятая равной для магнитных связей между обмотками статора и ротора.

Выражение содержит все возможные пары произведений токов трехфазной машины, определяющие значения электромагнитного момента ее в двигательном режиме работы. При этом характерно то, что электромагнитный момент машины создается только токами статора и ротора, протекающими по разным осям идеализированной машины на рисунке 3. Токи статора и ротора по одной оси машины создают лишь качения и вибрации, что вполне согласуется с теорией электромеханического преобразователя энергии.

Подставив выражение потокосцеплений в уравнения напряжений, получим уравнения напряжений АД диффузионной установки при частотном управлении.

Полученная система уравнений будет состоять из 12 уравнений, соответственно для всех обмоток. Так для статорной обмотки W^s _б по оси б уравнение будет выглядеть:

Уравнение движения электропривода

где р - число пар полюсов двигателя;

J - момент инерции вращающихся узлов электропривода диффузионной установки;

щ_ON - угловая скорость вращения магнитного поля при номинальной частоте;

 - параметры частоты и величины питающего напряжения;

- параметр абсолютной скорости вращения АД;

М_с - момент сопротивления на валу АД диффузионной установки;

М_э - электромагнитный момент двигателя.

Дополнив эту систему уравнениями, характеризующими электромеханический переходной процесс двигателя, получим полную математическую модель электропривода диффузионной установки.

Полученная математическая модель более точно отражает процессы в электроприводе при частотном управлении.

В четвертой главе были выбраны переменные факторы и целевые функции при планировании эксперимента.

Рисунок 4. Модель АД в Matlab/Simulink

Решена исходная система дифференциальных уравнений, описывающая переходные процессы AD диффузионного аппарата с целью получить электромагнитные и электромеханические переходные процессы при пуске, торможении, сбросе и наборе нагрузки.

При этом дана количественная оценка влиянию параметров двигателя и диффузионного аппарата на важнейшие показатели, характеризующие переходный процесс в двигателе. Структурная схема двигателя выполнена с помощью пакета программ в системе инженерных и научных вычислений Matlab, в которую входит подсистема моделирования динамических процессов Simulink.

Полученные результаты моделирования приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Диаграммы, полученные при моделировании

Построена матрица планирования эксперимента. Получены расчетные значения коэффициентов полиномов каждой целевой функции и оценка точности полиномиальных моделей этих же целевых функций.

В соответствии с методом ортогонального центрального композиционного планирования при 4-х переменных достаточно проведение 25 экспериментов, что следует из следующего выражения:

N = 2^k+2k + 1

где N - общее количество экспериментов; к - количество переменных факторов, равное в данном случае 4; Единица учитывает эксперимент с исходными значениями переменных факторов.

Помимо расчетов коэффициентов уравнений составленная программа предусматривает расчет сечений моделей при закреплении 2-х из 4-х переменных на одном уровне и варьирование двух других переменных. Полученные данные сведены в соответствующие таблицы.

В связи с равенством нулю дисперсии воспроизводимости и нестатическим характером задачи было принято решение не проводить отсев незначимых коэффициентов полиномов и проверку адекватности последних математических моделей с использованием статических процедур. Поэтому все найденные коэффициенты были сохранены, а для оценки адекватности, а вернее - «класса точности» полиномов рассчитывалось среднее квадратичное отклонение а средняя ошибка аппроксимации:

Приведены рассчитанные значения коэффициентов полиномов каждой целевой функции и оценка точности полиномиальных моделей этих же целевых функций, взятых из расчетных данных.

Полученные данные подтверждают, что средняя ошибка аппроксимации математической модели полинома не превышает 2,85%, что приемлемо для инженерных расчетов.

Анализ полученных полиномиальных коэффициентов позволяет произвести количественную и качественную оценку влияния выбранных параметров на динамические показатели AD для привода диффузионного аппарата при изменениях этих параметров и их всевозможных сочетаний.

Анализ полиномов показывает, что наибольшее влияние на величину всех целевых функций оказывает величина а. Проанализировав зависимости можно сделать следующие выводы: наибольшее влияние относительная частота а оказывает на угловую скорость вращения двигателя w, а наименьшее влияние изменения а оказывает на время переходного процесса машины t_p.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований

1. Принятая в практике типовая схема группового электропривода машин диффузионного аппарата на основе двигателей постоянного тока не современна. Такой принцип построения накладывает существенные ограничения на регулировочные свойства и технологические возможности производства, затрудняет автоматизацию технологического процесса, а наличие зазоров и упругостей в разветвленных кинематических цепях приводит к возникновению колебаний, снижающих качество продукции.

2. С целью расширения функциональных возможностей диффузионного аппарата, обеспечения независимого регулирования технологических параметров, оптимизации режимов работы, возможности гибкой перестройки агрегатов и микропроцессорного управления ими, целесообразно применение индивидуального асинхронного электропривода отдельных узлов и согласования режимов их работы между собой.

3. Частотно-управляемый асинхронный электропривод с микропроцессорным управлением и высокоточных датчиков различного назначения, позволяет высокоэффективно и с большой точностью реализовывать частотно - управляемый электропривод диффузионного аппарата.

4. На основе анализа известных методов математического моделирования частотно-управляемых асинхронных двигателей обосновано выбран метод моделирования в трехфазной системе координат а-в-г. При этом выбор именно трех фаз, вместо обычно принимаемых двух, исключает необходимость двойного преобразования координат (прямое и обратное), что является неизбежным при двухфазной системе координат. При этом полностью исключаются неизбежные при двухфазной системе координат погрешности, отрицательно сказывающиеся на точность моделирования. Поэтому, как и следовало ожидать, максимальная погрешность моделирования не достигает 10%, а в большинстве случаев не достигает 3%.

5. Составлена и решена система дифференциальных уравнений, описывающая переходные процессы AD диффузионного аппарата с целью получить характер электромагнитных и электромеханических переходных процессов при пуске, торможении, сбросе-набросе нагрузки. При этом дана количественная оценка влиянию параметров двигателя и диффузионного аппарата на важнейшие показатели, характеризующие переходный процесс в системе.

6. Указанная выше количественная оценка влияния отдельных параметров двигателя и рабочей машины в переходных режимах, оценки влияния отдельных параметров на важнейшие показатели, характеризующие переходный процесс в двигателе и отыскания функциональных зависимостей между ними был применен метод планирования эксперимента на основе ортогонального центрального композиционного планирования при 4-х переменных (а, Р, М_с и R^r), предусматривающий проведение 25 экспериментов.

7. С точки зрения обеспечения точности и простоты реализации обоснованно выбран способ частотного управления с микропроцессорным управлением, обеспечивающий отслеживание с высокой точностью всевозможные возмущения в системе.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

1. Моногаров С.И. Определение расчетных параметров схемы замещения асинхронной машины. - Сборник трудов по материалам межвузовской научно-производственной конференции «Научный потенциал вуза - производству и образованию». Т.4. Армавир, 2008, с. 209.

2. Моногаров С.И. Частотно-регулируемый электропривод диффузионной установки ПДС-20. - «Технические и технологические системы». Краснодар, 2009, с. 178-180.

3. Моногаров С.И. Модель короткозамкнутого асинхронного двигателя при частотном управлении автоматизированного двигателя при частотном управлении автоматизированного электропривода в системе MATLAB/SIMULINK. - «Технические и технологические системы». Краснодар, 2009, с. 171-175.

4. Моногаров С.И. Применение микропроцессорной техники при модернизации автоматизированного электропривода диффузионной установки. - «Технические и технологические системы». Краснодар, 2009, с. 175-178.

5. Куроедов В.И., Моногаров С.И. Разработка автоматизированного электропривода диффузионной установки ПДС-20. - Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений». Т.2.М.: Технетика, 2009, с. 155-156.

6. Куроедов В.И., Моногаров С.И. Повышение эффективности автоматизированного электропривода диффузионной установки ПДС-20. - Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений». Т.2.М.: Технетика, 2009, с. 113-115.

7. Гайтов Б.Х., Моногаров С.И. Построение математической модели электропривода диффузионного аппарата ПДС-20. - «Энергосбережение и водоподготовка». №2 (64). М.: Энергоинвест, 2010, с. 63-64.

8. Куроедов В.И., Моногаров С.И. Модернизация автоматизированного электропривода диффузионного аппарата ПДС-20. - «Энергосбережение и водоподготовка». №3 (65). М.: Энергоин-вест, 2010, с. 60-61.

Размещено на Allbest.ru