Разработка и исследование двухфазного вентильно-индукторного электропривода насосов горячего водоснабжения

Работа направлена на создание нового типа отечественного регулируемого комплектного энергои ресурсо-сберегающего электропривода для нужд жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) страны на базе оригинальных конструкций двухфазных вентильно-индукторных двигателей с самовозбуждением ВИД СВ (в иностранной литературе TPSRM — Two-Phase Switched Reluctance Motor). В последние годы наблюдается бурный рост отечественных и зарубежных исследований в области создания простых по конструкции и надежных электрических машин для электроприводов, где технологичность, простота и низкая цена исполнительного двигателя имеют решающее значение, а требуемые показатели качества достигаются за счет применения интеллектуальных преобразователей с высокопроизводительными цифровыми системами управления. Эти привода разрабатываются для электрического инструмента, насосов, вентиляторов, строительной техники, где требуемый диапазон регулирования скорости невелик (до 10:1), а простота, технологичность и низкая цена исполнительного двигателя имеют решающее значение. Одной из возможных сфер применения подобных систем может быть привод насосов горячего водоснабжения (ГВС).

Для ЖКХ энергосбережение является одной из наиболее важных и приоритетных задач, что связано с большой энергоемкостью данной сферы. Основным энергопотребителем является теплоноситель — вода, поступающая в каждый городской дом для обогрева и поддержания высокого качества жизни людей, проживающих в нем. Доля энергии, затрачиваемой на транспортировку теплоносителя к потребителям мала (менее 2%) по сравнению с энергией, затрачиваемой на нагрев теплоносителя. Это делает горячую воду весьма ценным ресурсом и основные усилия энергосбережения в данной сфере направлены на экономию именно тепловой энергии. Поэтому, создание оборудования, обеспечивающего экономию тепловой и электрической энергии, является актуальной задачей. В работе эта задача решается путем создания автономно работающих локальных узлов автоматизации на базе комплектных электроприводов нового типа, в которых цифровая система управления привода дополнительно выполняет функцию управления технологическим процессом подачи горячей воды по минимуму общих затрат энергии.

Целесообразность такого подхода подтверждается исследованиями ООО «Центртехкомплект», отраженными в диссертации Штина E.H.: использование на рециркуляционных насосах ГВС регулируемого электропривода со специальным законом управления скоростью в функции текущего потребления воды дает существенную экономию средств (до 300 тыс. рублей в год с одного объекта по ценам 2008г) без потери качества водоснабжения потребителей. Только в Москве несколько тысяч подобных объектов, поэтому создание относительно простых и дешевых решений для этого класса оборудования — актуальная задача.

Конкурентные преимущества привода с вентильно-индукторным двигателем по сравнению с асинхронным приводом связаны прежде всего с простотой и технологичностью самого двигателя. В работе решаются задачи разработки алгоритмов управления двухфазным ВИД СВ, в том числе системы бездатчикового управления, обеспечивающей работу электропривода на базе двухфазного ВИД СВ как в зоне высоких, так и в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей. При этом устраняется главный недостаток ВИД — наличие датчика положения на валу.

Новая техника требует качественных сравнительных исследований, преодоления психологических проблем при внедрении, поэтому силовой преобразователь разрабатывается как унифицированный, способный управлять как асинхронными двигателями, так и вентильно — индукторными.

Таким образом, актуальность работы состоит в создании нового отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий жилищно-коммунальной сферы г. Москвы.

Разработка нового электропривода объединила усилия большого количества людей, научных групп и предприятий. Эскизное проектирование электродвигателя выполнялось в научной группе Ильинского Н. Ф. (каф. АЭП МЭИ (ТУ)) — уточнение геометрии магнитопровода двигателя методами конечно-элементного анализа — научной группой Фисенко В. Г. (каф. Электромеханики МЭИ (ТУ)) — проектирование электродвигателя, подготовка конструкторской документации — ОАО «НИПТИЭМ», г. Владимиризготовление опытных образцов двигателей, изготовление серийных двигателей — ОАО «ВЭМЗ», г. Владимирпроектирование и производство микропроцессорных контроллеров управления и разработка системы управления — научной группой Козаченко В. Ф. (каф. АЭП МЭИ (ТУ), ООО «НПФ Вектор», г. Москва) — проектирование и производство преобразователей частоты — научной группой Острирова В. Н. (каф. АЭП МЭИ (ТУ), ООО «НПП Цикл+», г. Москва) — проектирование и производство станций группового управления — ООО «Энергосбережение», г. Пущиновнедряющая организация — ООО «Центртехкомплект» — основной заказчик и потребитель комплектного электропривода — ОАО «МОЭК», г. Москва.

В первой главе рассмотрена предполагаемая область применения проектируемого электропривода, сформулированы основные требования к электроприводу и электродвигателю. Рассмотрены различные типы вентильно-индукторных машин (классификация по способу возбуждения двигателя). Показаны основные преимущества и недостатки рассматриваемых двигателей и электроприводов на их основе, кратко описана рациональная область применения.

Обоснована целесообразность применения для насосов горячего водоснабжения машины малой фазности — двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, выбрана базовая конструкция двигателя.

Сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе рассмотрена конструкция и принцип работы принятого за основу двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением.

Кратко рассмотрен процесс проектирования машин такого типа и способ получения исходных данных для построения модели электродвигателя с учетом нелинейности магнитной системы.

Описана методика и реализован в среде МАТЬАВ алгоритм математической обработки исходных данных — зависимости потокосцепления фазы от тока фазы и углового положения вала ротора на базе интерполяции кубическими сплайнами для увеличения разрешения зависимости, как по току, так и по положению. Отражены результаты математической обработки исходных данных.

Показан принцип получения зависимости момента фазы от тока фазы и углового положения вала ротора из поверхности потокосцеплений на основе теории электромеханического преобразования энергии [9,11].

Синтезирована структура модели двухфазного ВИД СВ. Описан алгоритм расчета такой модели на одном интервале дискретизации с учетом полученных ранее зависимостей потокосцепления и момента от тока фазы и углового положения вала ротора. В среде МАТЬАВ реализована унифицированная модель двухфазного ВИД СВ, учитывающая нелинейность магнитной системы.

Рассмотрена структура системы управления двухфазным ВИД СВ, рассмотрены вопросы создания комплексной модели электропривода, включающей в себя модели двигателя, инвертора, системы управления и датчика положения вала ротора. Обоснована реализация элементов модели непосредственно на языке программирования «С» .

Представлены основные результаты исследования комплексной модели электропривода.

В третьей главе представлено обоснование структуры контроллера для реализации системы управления двухфазным ВИД СВ, описана структура разработанного контроллера МК20.1, обладающего необходимой периферией для решения задач управления двигателем, станцией группового управления, взаимодействия с пультом оперативного управления, расходомером, системой верхнего уровня и персональным компьютером. Обоснована избыточность в производительности разработанного контроллера для возможности реализации системы бездатчикового управления в будущем.

Обоснована структура организации программного обеспечения контроллера. Рассмотрены принципы создания модульного программного обеспечения на основе применения методов конечных автоматов.

Предложен и реализован оригинальный алгоритм полуавтоматической юстировки датчика положения вала ротора с применением звуковой индикации углового положения обмотками самого двигателя. Реализация данного алгоритма позволяет существенно ускорить и упростить процедуру настройки датчика положения.

В четвертой главе приведены результаты отладки программного обеспечения ядра системы управления двухфазным ВИД СВ. Показано полное соответствие результатов, получаемых на реальном оборудовании, с результатами, полученными на этапе моделирования электропривода. Рассмотрен реализованный алгоритм профилирования фронтов тока для снижения уровня шума двигателя ДВИ1.1¥-(6/3).

Описаны экспериментальные исследования опытных образцов двигателей. Описан созданный лабораторный стенд. Рассмотрены конструкции и основные отличия опытных образцов двигателей. Представлены результаты сопоставления экспериментальных данных с теорией, результаты тепловых, шумовых и вибрационных испытаний опытных образцов двигателей ДВИ1.1У (6/3), ДВИ1.1Щ8/4) и ДВИ2.2Щ8/4). По результатам испытаний обоснована целесообразность применения двигателей с конфигурацией (8/4) для снижения уровня шума и вибрации двигателя.

Представлены результаты опытно-промышленной эксплуатации шести электроприводов на основе опытных образцов ВИД СВ с конфигурацией (8/4) мощностью 1.1кВт и 2.2кВт в составе энергосберегающего оборудования на ЦТП города Москвы. По результатам опытно-промышленной эксплуатации обоснован ряд решений по усовершенствованию электропривода, снижению его стоимости и увеличению надежности.

В пятой главе подробно рассмотрен процесс создания алгоритмов бездатчикового управления двухфазным ВИД СВ на примере конструкции ДВИ1.1У (6/3). Разработана система бездатчикового управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем с переключаемой структурой наблюдателя для обеспечения работы вентильно-индукторного электропривода как в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей, так и в зоне высоких скоростей. Последовательно рассмотрены принципы бездатчикового управления в зоне высоких и в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей. Показаны основные проблемы в создании надежно работающего наблюдателя и способы их решения.

Реализован алгоритм автоматической идентификации параметров двигателя, необходимых для работы бездатчикового управления, что полностью избавило наладчика от необходимости в трудоемкой настройке наблюдателя. Реализация алгоритма существенно ускорила процесс наладки электропривода, который с бездатчиковой системой стал менее продолжительным, чем наладка электропривода с датчиком положения вала ротора (за счет отсутствия операции по юстировке последнего).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 34 пунктов и приложений. Содержание работы изложено на 229 страницах машинописного текста, включает 110 рисунков, 13 таблиц и 2 приложения.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан программно-математический аппарат обработки исходных данных на базе интерполяции кубическими сплайнами и применения энергетического подхода для получения зависимостей потокосцепления и момента фазы от тока фазы и углового положения вала ротора, необходимых для построения модели вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, учитывающей нелинейность магнитной системы. Результирующие зависимости передаются в модель двигателя в виде двоичного файла и могут быть получены с любым, заданным пользователем, разрешением по току фазы и угловому положению вала ротора из исходной зависимости Ч* = /(04) низкого разрешения.

2. Разработана и реализована унифицированная модель двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, учитывающая нелинейность магнитной системы. Унификация модели заключается в том, что она позволяет производить моделирование любых двигателей такой же конструкции, но с отличающимися электромагнитными параметрами, при этом достаточно лишь передать в модель соответствующий двоичный файл.

3. Разработана комплексная модель электропривода на базе двухфазного ВИД СВ в среде МАТЪАВ БтиНпк, включающая в себя модель двигателя, инвертор, систему управления и датчик положения вала ротора. Элементы модели реализованы непосредственно на языке программирования «С». Это позволяет производить отладку программного обеспечения системы управления еще на этапе моделирования, что существенно ускоряет процесс разработки ПО контроллера.

4. Разработан и изготовлен специализированный контроллер МК20.1, обладающий необходимой производительностью и периферией для решения задач управления двигателем (асинхронным или двухфазным.

219 вентильно-индукторным с возможностью реализации бездатчикового управления), станцией группового управления, взаимодействия с пультом оперативного управления, расходомером, системой верхнего уровня и персональным компьютером.

5. Разработано модульное программное обеспечение для реализации комплекса функций преобразователя частоты по управлению электроприводом рециркуляционных насосов горячего водоснабжения. Модульность программного обеспечения обусловлена применением для разработки ПО методов конечных автоматов.

6. Создан лабораторный стенд, позволяющий производить отладку системы управления, осуществлять нагрузочные, тепловые, шумовые и вибрационные испытания двухфазных вентильно-индукторных двигателей.

7. Произведены полноценные испытания опытных образцов двухфазных вентильно-индукторных двигателей с самовозбуждением мощностью 1.1 кВт и 2.2кВт с различной конфигурацией магнитной системы двигателя. Для опытных образцов двигателей (ДВИ1.1У (6/3), ДВИ1.1Щ8/4) и ДВИ2.2Щ8/4)) получены моментные, тепловые, шумовые и вибрационные характеристики. На основе полученных данных обоснована целесообразность перехода к конструкции двигателя с симметрированным ротором с конфигурацией (8/4) для снижения уровня шума и вибрации двигателя.

8. Осуществлена опытно-промышленная эксплуатация шести электроприводов на основе опытных образцов ВИД СВ с конфигурацией (8/4) мощностью 1.1 кВт и 2.2кВт на базе преобразователей частоты Универс2.2(ВИ) в составе энергосберегающего оборудования на ЦТП города Москвы. Опытно-промышленная эксплуатация полностью подтвердила работоспособность элементов электропривода, выявила имеющиеся недостатки структуры электропривода в целом, особенности эксплуатации, а также недостатки конструкций преобразователей частоты и двигателей. Полученный опыт существенно повлиял на дальнейшую эволюцию электропривода и выразился в объединении станции группового управления с бескорпусным преобразователем частоты в едином конструктиве, реализации поддержки преобразователем частоты функций полноценного управления как двухфазным ВИД СВ с бездатчиковой системой управления, так и асинхронным двигателем. Указанные усовершенствования позволили снизить стоимость электропривода, увеличить его надежность, обеспечить равномерное использование ресурсов насосных агрегатов, исключить эффекты застаивания оборудования и преждевременного выхода его из строя.

9. Разработана система бездатчикового управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем с переключаемой структурой наблюдателя для обеспечения работы вентильно-индукторного электропривода как в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей, так и в зоне высоких скоростей. Разработанная система бездатчикового управления обеспечивает следующие показатели: диапазон регулирования скорости вниз от номинальной 20:1, при изменении момента на валу двигателя от нуля до номинального значениядиапазон регулирования скорости вверх от номинальной — не менее 2:1 (верхняя граница определяется подшипниками, а не системой управления), при изменении нагрузки на валу двигателя по закону постоянства мощноститочность поддержания скорости по отношению к номинальной скорости ±0.3%.

Помимо непосредственно бездатчикового управления реализован ряд вспомогательных алгоритмов:

9.1. Реализован алгоритм автоматической идентификации параметров двигателя, необходимых для работы бездатчикового управления, что полностью избавило наладчика от необходимости в трудоемкой настройке наблюдателя. Реализация алгоритма существенно ускорила процесс наладки электропривода, который с бездатчиковой системой стал менее продолжительным, чем наладка электропривода с датчиком положения вала ротора (за счет отсутствия операции по юстировке последнего).

9.2. Реализован алгоритм автоматического поиска оптимальных углов коммутации фаз двигателя непосредственно при работе электропривода. Данный алгоритм является неотъемлемой частью наблюдателя, что обусловлено «плаванием» (изменение углового положения) точки синхронизации наблюдателя в зависимости от уровня тока двигателя. Помимо такой компенсации алгоритм позволяет снять с наладчика необходимость в настройке зависимостей углов коммутации от скорости и уровня тока машины, а также существенно улучшает робастность (нечувствительность к отклонению параметров) системы бездатчикового управления. Так, отклонение активного сопротивления фазы двигателя на 50% не только не приводит к отказу устойчивой работы бездатчиковой системы управления, но даже не ухудшает качество ее работы.

10. Разработанный комплекс программно-аппаратных средств, в том числе система бездатчикового управления, прошел полноценные испытания, как в лабораторных условиях, так и в условиях ЦТП в составе энергосберегающего оборудования и полностью подтвердил свою работоспособность. Разработанный комплекс принят за основу при серийном производстве бескорпусных преобразователей частоты ВИП-АД, входящих в состав станции группового управления СГУ ГВС-2.2(ВИП) для рециркуляционных насосов горячего водоснабжения мощностью 2.2кВт. По состоянию на март 2011 года, в промышленную эксплуатацию на ЦТП города Москвы внедрено 100 комплектных электроприводов.

Заключение

.