CC BY
106
УДК 629.9:502.14:62-83
О.С. Хватов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (831) 436-93-79, khvatov@aqua.scinnov.ru (Россия, Н.Новгород, ВГАВТ), А.Б. Дарьенков, канд. техн. наук, доц., (831) 419-35-13, fae@nntu.nnov.ru (Россия, Н.Новгород, НГТУ)
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКОЙ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Приведено описание функциональной схемы дизельной электростанции переменной частоты вращения на базе синхронного генератора. Рассмотрены функциональная схема и алгоритм работы интеллектуального электропривода топливного насоса дизель-генераторной установки переменной частоты вращения.
Ключевые слова: оптимальный режим работы дизеля, частота вращения вала, синхронные генераторы.
Системы «дизель-генератор» (Д-Г) строятся, как правило, на базе синхронных генераторов (СГ). Требование обеспечения стабильной частоты выходного напряжения (f1=const) СГ обусловливает необходимость стабилизации частоты вращения ю вала дизеля независимо от мощности нагрузки Р. Такой режим работы дизеля является неоптимальным с точки зрения потребления топлива. Оптимального режима работы дизеля можно достигнуть, если с изменением Р изменять ю дизеля [1].
Исследования показывают, что уменьшение ю при снижении нагрузки позволяет сократить удельный расход топлива на 20...30 %. Одновременное изменение ю и Р нагрузки обеспечивает также оптимальный тепловой режим работы дизеля, снижение износа и, следовательно, повышает его моторесурс. Однако при этом должно выполняться требование f1=const при ю=л>ат.
Построение системы Д-Г с переменной ю возможно на базе преобразователя частоты (ПЧ) (рис.1).
Устройство работает следующим образом. Электропривод рейки топливного насоса ЭПН получает сигнал с блока вычислителя мощности нагрузки ВМ, который соединен с выходами датчика напряжения ДН и датчика тока ДТ, измеряющими соответственно напряжение и ток на выходе ПЧ. В зависимости от значения Р задатчик экономичного режима работы дизеля ЗЭР формирует на своем выходе оптимальное значение частоты вращения соопт вала дизеля, при которой потребление топлива минимально для текущего значения Р. С помощью сумматора сигналов, входящего в состав ЭПН, вычисляется разность сигнала задания соопт и сигнала датчика частоты вращения вала дизеля ДЧВ. Сигнал от сумматора поступает на вход регулятора частоты вращения РЧВ вала дизеля, который с помощью исполнительного электродвигателя ИЭД, перемещающего рей-
ку топливного насоса, поддерживает частоту вращения вала дизеля на уровне, заданном ЗЭР. Таким образом, при изменении Р на выходных выводах, а значит и на валу дизеля, частота вращения вала со будет поддерживаться оптимальной с точки зрения минимального потребления топлива.
Выходные выводы
топливо
Рис. 1. Функциональная схема системы Д - Г переменной частоты
вращения
Поскольку со дизеля будет изменяться в зависимости от Р, то амплитуда Uim и частота fx переменного напряжения СГ будут также изменяться в зависимости от Р. При работе дизеля во всем диапазоне нагрузок стабилизацию амплитуды и частоты выходного напряжения (Uim=const и fi=const) возможно обеспечить за счет ПЧ и путем воздействия на систему возбуждения СГ [2]
Стабилизация U\m на выходных выводах на заданном уровне осуществляется ПЧ с помощью блока стабилизации напряжения БСН, в состав которого входит блок регулятора напряжения РН. Регулятор РН подключен к сумматору сигналов, на входы которого поступают сигналы с задат-чика напряжения ЗН и с ДН. Таким образом, при изменении частоты вращения вала дизеля на выходных выводах поддерживается амплитуда переменного трехфазного напряжения на уровне, задаваемом ЗН.
Частота трехфазного напряжения fx на выходных выводах при изменении со поддерживается неизменной с помощью ПЧ на уровне, задаваемом задатчиком частоты выходного напряжения ЗЧВН.
Блок возбуждения БВ формирует ток в обмотке возбуждения СГ с учетом сигнала от ДН и блока ЗЭР.
Функциональная схема ЗЭР приведена на рис. 2. ЗЭР состоит из четырех основных элементов: контроллера управления КУ, ассоциативной памяти АП, контроллера обучения КО и энергонезависимой памяти типа Flash, которые объединены общей информационной шиной, допускающей
двунаправленный обмен информацией и дальнейшее расширение системы в случае управления несколькими Д-Г.
от ДТоп
от ВМ
к ИЭД
информационная шина
1 i i i ——
\ г г \
Контроллер Контроллер Ассоци-
обучения управления ативная
(КО) (КУ) память (АП)
Память Flash
Рис. 2. Функциональная схема ЗЭР
АП представляет собой многослойную нейронную сеть, реализуемую на ПЛИС. АП обладает способностью накапливать дискретные значения скорости соопт в зависимости от Р и генерировать значения <оопт для отсутствующих в памяти дискрет на основе методов ассоциации и интерполяции в пределах «обучения» АП. Это свойство освобождает систему от необходимости знания непрерывной зависимости соолт=/(Р). Зависимость соопт =/(Р) при эксплуатации Д-Г постоянно уточняется в зависимости от изменения характеристик дизеля в процессе его износа, марки топлива и меняющихся условий работы дизеля.
Благодаря наличию АП ЭПН является самообучающейся системой. «Обучение» АП, производимое КО, заключается в выявлении значения соотп Д-Г для конкретного значения Р и расчете весов связей нейронов для получения устойчивой логической пары: "Р -соопт". Процесс определения соотп заключается в установлении минимума функции расхода топлива ge=f (со) для конкретного значения Р и поясняется рис. 3.
При изменении мощности нагрузки с Р на Р' Д-Г переходит на новую кривую расхода топлива. Реакцией на это со стороны КО является изменение задания на частоту вращения на некоторую величину Аа\. При этом вычисляется производная изменения величины удельного расхода
. По знаку определяется, в каком направлении далее необходимо (Лео (Лео
изменять частоту вращения - в сторону увеличения или в сторону уменьшения. На следующем шаге происходит изменение с на величину Дс2,
dg
которая меньше Дщ на величину, пропорциональную ——. Процесс по-
dc
вторяется до тех пор, пока изменение расхода топлива не станет меньше, чем заданная величина ошибки Таким образом, "обучение" АП возможно в процессе эксплуатации системы, и заключается в том, что при изменении P частота вращения вала дизеля с будет плавно изменяться до тех пор, пока КО не "найдет" ее оптимальное, с точки зрения потребления топлива, значение. Найденное новое значение сопт передается в АП. Далее КО рассчитывает массив значений весов нейронных связей и передает их АП. Для этого КО использует известный метод обратного распространения ошибки.
gt
P
ge
P '
Дс <Дс2 <Дс
vl Л
g
опт g e Ng —
с
Рис. 3. Алгоритм определения значения с
опт
КУ обрабатывает сигналы с датчика потребления топлива ДТоп и ВМ и формирует сигнал управления ИЭД, соответствующий соопт для текущего значения Р. Алгоритм работы КУ приведен на рис. 4. Блок ВМ вычисляет среднюю за заданный период времени мощность нагрузки дизеля. Сигнал от ВМ поступает на вход КУ. Если происходит изменение мощности нагрузки АР на величину большую, чем некоторое заданное значение изменения мощности АРзад, то устанавливается принадлежность текущего среднего значения мощности нагрузки множеству дискретных значений Р, при которых производилось "обучение" ЗЭР (Р е РобуЧ). Если новое значение Р не относится к множеству Робуч, то КО производит определение величины сопт, соответствующей минимальному расходу топлива при данной мощности нагрузки Р, и "дообучение" АП логической паре "Р -сопт ".
Значение соопт сохраняется в АП и поддерживается с помощью ИЭД на валу дизеля.
Рис. 4. Алгоритм работы КУ
В случае, когда новое значение P принадлежит диапазону, в котором производилось «обучение», КУ передает его АП, в ответ принимая величину сопт. Затем для текущего значения P производится сравнение
сопт со значением частоты вращения Срасч, хранящемся в энергонезависимой памяти типа Flash и рассчитанном методом линейной интерполяции по накопленным в АП значениям сопт для дискретных значений P. Если расчетный и «ассоциативный» результаты существенно различаются на величину, превышающую заданную величину ошибки то АП проходит процесс "дообучения". В противном случае сигнал задания передается ИЭД. Таким образом, исключаются заведомо ложные значения сопт.
Объектом управления ЭПН является дизель, который описывается системой дифференциальных уравнений, характеризующей его динамические свойства [3]:
Т— + kф = q -02ад; dt
kqq = Х + вфф^
где ф - безразмерное изменение частоты вращения вала дизеля; q - безразмерное изменение цикловой подачи топлива; х- безразмерное перемещение рейки топливного насоса; ад - безразмерное изменение нагрузки дизеля; kq - коэффициент самовыравнивания топливоподающей аппаратуры дизеля; 02- коэффициент усиления по настройке потребителя; вф - коэффициент усиления топливоподающей аппаратуры дизеля; k - коэффициент самовыравнивания дизеля; Т - время собственно дизеля.
На основе уравнений дизеля и уравнений Парка-Горева, описывающих процессы в СГ, разработана структурная схема системы автоматического регулирования Д - Г установки. Система регулирования содержит три канала: по частоте вращения а вала дизеля, частоте f1 и амплитуде Uim выходного напряжения СГ.
Работа системы Д-Г с переменной частотой вращения вала обеспечит экономию топливных ресурсов. Применение дизелей с переменной частотой вращения вала требует нового похода к управлению топливопо-дачей, который возможно реализовать на базе интеллектуального электропривода с системой управления, построенной на базе нейронной сети.
Список литературы
1. Хватов О.С. Управляемые генераторные комплексы на основе машины двойного питания. Н.Новгород: НГТУ, 2000.
2. Дарьенков А.Б., Хватов О. С. Автономная высокоэффективная электрогенерирующая станция /Труды Нижегородского государственного технического университета. Н.Новгород, 2009. С. 68-72.
3. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие для втузов. М.: Машиностроение, 1979. 615 с.
O. Xvatov, A. Darenkov
Intelligent controls of highly effective the diesel-generator installation of variable frequency of rotation
The description of the flow sheets of diesel electric power station based on a synchro generator and characterized by alternating frequency rotation of shaft is presented. The consideration of the flow sheet and algorithm of operation for diesel generator set characterized by alternating frequency rotation of shaft are considered.
Key words: optimum operating mode of a diesel engine, frequency of rotation of a shaft, synchronous generators.
Получено 06.07.10
