CC BY
35
УДК 622:691.4.052.012
Б.Ю. Васильев
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ МЕТОДАМИ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
Одно из важнейших направлений развития газовой отрасли — энергоэффективность, энерго- и ресурсосбережение при транспортировке природного газа по магистральным газопроводам. В работе [1] выделены следующие основные мероприятия по эффективному развитию газотранспортной промышленности: реконструкция газотранспортных объектов и системная организация технологических режимов работы газопроводов; сокращение потерь газа; внедрение автоматизированных систем управления и телемеханики; улучшение технического состояния газоперекачивающих агрегатов (ГПА); расширение использования регулируемых электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА). Также в [1] отмечено, что использовать природный газ необходимо не только в качестве топлива, но и как ценное химическое сырье. Широкое развитие должны получить высокотехнологичная газохимия и производство синтетического жидкого топлива на основе газа. Невозобновля-емость природного газа, истощение основных и большая удаленность открываемых месторождений, большие экспортные обязательства страны делают проблему эффективности газотранспортной промышленности особо острой.
Газотранспортная система России создавалась на протяжении последних 50 лет и продолжает интенсивное развитие сегодня. В состав системы входят свыше 160 000 км газопроводов, около 260 компрессорных станций, на которых эксплуатируются более 4000 ГПА суммарной мощностью более 40 млн кВт. Российская газотранспортная система обеспечивает транспортировку более 570 млрд м3 в год природного газа от месторождений к потребителям как внутри страны, так и за рубежом [2].
Около 86 % парка ГПА имеют газотурбинные приводы, 90 % которых морально и физически устарели. Усредненный коэффициент полезного действия (КПД) газотранспортной системы — 20—25 %. На долю агрегатов с элек-
троприводом приходится около 14 %, более 70 %, которых имеет срок службы около 20 лет, а отдельные — 30—40 лет. Большинство ЭГПА — нерегулируемые. Для некоторых газопроводов характерна работа в режиме падающей газоподачи и газопотребления. Это приводит к изменению режимов и энергетических свойств ЭГПА, которое в конечном счете выражается в повышенном энергопотреблении.
Энергоэффективные алгоритмы управления ЭГПА
Для высоковольтного ЭГПА наиболее целесообразно использовать многоуровневые преобразователи частоты (МПЧ) с пространственно-векторной модуляцией (ПВМ). МПЧ могут включать в себя различное количество низковольтных ячеек, соединенных последовательно в каждой фазе нагрузки. Структурная схема представлена на рис. 1.
Обеспечение высокого уровня энергетической эффективности и управления ЭГПА во многом зависит от структуры, а именно, схемы преобразователя частоты, типа полупроводниковых ключей, способа модуляции, типа электродвигателя и логических алгоритмов управления (ЛАУ) коммутаторами, активным выпрямителем (АВ) и инвертором (И).
В последнее время в области управления и автоматизации электротехнических комплексов, в состав которых входит электропривод, широкое распространение получили алгоритмы, основанные на методах искусственного интеллекта, нечеткой логики, нейронных сетей и генетических алгоритмах. Эти алгоритмы позволяют преодолевать неопределенности различного вида (компенсации, парирования, подавления) и повысить качество управления, имея при этом простую структуру вычислительного алгоритма.
Различные структуры нечетких систем управления электроприводом приведены в [3—5]. Нечеткие системы в этих работах отличаются по
Рис. 1. Структурная схема ЭГПА
количеству входных и выходных переменных, базам знаний, операциям логического вывода и др. Рассматриваемый в статье нечеткие ЛАУ АВ и И рассчитаны на использование трех входных и одной управляющей (выходной) переменной, которые представлены в таблице.
Процедура нечеткого вывода основана на алгоритме минимаксного вывода Мамдани. Операции агрегирования и активации производятся с использованием операции логической конъюнкции. Процедура композиции, в результате которой получается итоговое нечеткое мно-
Входные и выходные переменные ЛАУ АВ и И
Алгоритм Переменные
Входные Выходные
ЛАУ активного выпрямителя Активная составляющая сетевого тока (А//). Реактивная составляющая сетевого тока (А/д). Угол поворота вектора сетевого напряжения (N^1 Результирующий вектор напряжения активного выпрямителя
ЛАУ инвертора Потокосцепление статора (А^). Электромагнитный момент (АМ). Угол поворота вектора потокосце-пления (Щ) Результирующий вектор напряжения инвертора
жество для управляющей переменной с результирующей функцией принадлежности, выполняется по операции дизъюнкции. Приведение к четкости (дефаззификация) основано на центроидном методе.
Эффективность ЭГПА с нечетким управлением в сравнении с векторным алгоритмом была проверена на имитационных моделях, созданных в MatLab Simulink, Sim Power System и Fuzzy Logic Toolbox. Моделирование производилось для высокооборотного электродвигателя (мощность 6300 кВт, напряжение 6000 В, частота вращения 8200 об/мин).
На рис. 2, а, б приведены осциллограммы заданной и действительной частоты вращения и электромагнитного момента электродвигателя, отнесенных к их номинальным значениям, при векторном и при нечетком управлении. Анализ осциллограмм показывает, что время регулирования частоты вращения при нечетком управлении меньше на 32 %. Амплитуда пульсаций электромагнитного момента при нечетком управлении в установившемся режиме — 5—7 %
от номинального значения, а при векторном управлении — около 27 %, т. е. в 4,5 раз больше.
На рис. 2, в, г приведены осциллограммы потребляемой мощности (Р — активная, 0 — реактивная), которые показывают, что при наличии в преобразователе частоты активных выпрямителей и нечетком алгоритме управления электропривод потребляет чисто активную мощность. Коэффициент полезного действия в установившемся режиме работы электропривода при нечетком управлении выше на 24 % и равен 0,87 (см. рис. 2, е), аналогичный показатель при векторном управлении — 0,65 (рис. 2, д).
Нечеткий алгоритм управления обеспечивает значительное снижение коэффициента несинусоидальных искажений формы тока в сети электроснабжения.
На рисунке 3, а и 3, б представлены осциллограммы токов, которые потребляет электропривод соответственно с векторным и нечетким управлением, и их спектральный состав. При нечетком управлении все гармоники не превышают 2 %, практически полностью подавляются
10 20
в)
p, Q,
6 4
2 0
106 ВА
30
40
10
20
30
40
50 t, с
50
t, с
б)
г)
P, 106 ВА
6 4
2
0
: ; j м
1 J_----T " ©зад
........: ч--_ - ......... Шном : ©ном : ■ ill 1 i i
10
20
10
20
30
30
40
40
50 t, с
50 t, с
2
1
0
а)
3000 1500
б)
3000 1500
о 10 20 30 40 50 г, .
40 45 50 55 Номер гармоники
20 25 30 35 40 45 50 55 Номер гармоники
Рис. 3. Осциллограммы токов (а, б) и их спектральный состав (в, г)
5-я и 7-я гармоники. Коэффициент несинусоидальных искажений тока при нечетком управлении равен 1,2, при векторном управлении — 5,7, что в 4,75 раза больше и превышает предельно допустимый уровень искажений, определенный в ГОСТ 13109—97 (5 % для сетей в 6-20 кВт).
Коэффициент мощности электропривода с векторными алгоритмами управления составляет около 0,6-0,7; при нечетком управлении он близок к единице (0,97-1). За счет высокого коэффициента мощности действующее значение тока электропривода с нечетким управлением (I ~ 1420 А) на 14 % меньше, чем у электропривода с векторным алгоритмом управления (I« 1600 А).
Газотранспортная система России — одна из крупнейших в мире и обладает мощнейшим парком газоперекачивающих агрегатов. Электроприводы установлены на 14 % всех агрегатов, большинство из которых имеют критический износ и нерегулируемы, что снижает эффектив-
ность и надежность всей газотранспортной системы.
Использование многоуровневых преобразователей частоты, в ячейках которых установлены активные выпрямители, и нечетких алгоритмов управления обеспечивает потребление электроприводом чисто активной мощности, снижение потребления электроэнергии примерно на 14 % и повышение КПД электропривода газоперекачивающего агрегата до уровня 0,85-0,9.
Электропривод ГПА с нечеткими алгоритмами управления коммутаторами обладает более высокими регулировочными характеристиками, а именно: снижается время регулирования частоты вращения на 32 %, а также уменьшаются колебания электромагнитного момента в 4-5 раз.
Представленная работа проводится в рамках федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 по теме «Энергоэффективность и энергосбережение объектов магистрального газопровода».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года [Текст] / Утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. # 1715-р
2. Энергоснабжение и автоматизация энергооборудования компрессорных станций [Текст]: Т. 2 / Под ред. О.В. Крюкова.— Нижний Новгород: Вектор ТиС, 2011.— 664 с.
3. Козярук, А.Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов [Текст] / А.Е. Козярук, В.В. Рудаков / Санкт-Петербургская электротехническая компания.— СПб., 2004.
4. Jagadish, H.Pujar. Robust sensorless speed control of induction Motor with DTFC and fuzzy speed regulator [Текст] / Jagadish H. Pujar, S.F. Kodad // International
Journal of Electrical and Electronics Engineering.— 2011. Vol. 5 № 1.— P. 17-26.
5. Metidji, B. A new fuzzy direct torque control strategy for induction machine based on indirect matrix converter [Текст] / B. Metidji, F. Tazrart, A. Azib // International Journal of Research and Reviews in Computing Engineering.— 2011. №1.
УДК 665.3:541.69
Л.К. Васильева, А.Г. Воловей, Б.И. Иголкин, В.С. Мехтиев
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
Известные методы изучения и контроля растительных масел основаны в основном на химическом анализе состава или на измерении физических показателей качества масел. Химические методы анализа достаточно трудоемки, длительны и довольно дороги в силу особенностей состава и структуры растительных масел [1].
Методы определения физических показателей (плотность, вязкость, коэффициент преломления и др.) не обладают достаточной точностью и надежностью в случае близких по виду масел, хотя усовершенствования в этой области продолжаются. Так, известен прибор для установления фальсификации арахисового масла, определяющий примеси рапсового (сурепного), подсолнечного, кукурузного, хлопкового, пальмового и соевого масел на основе колориметрических измерений [2].
Наиболее совершенные методы изучения, в частности жирнокислотного состава масел, в настоящее время — это газовая хроматография и инфракрасная спектроскопия, но они требуют специального дорогостоящего оборудования, затрат времени на обработку полученных данных, квалифицированного персонала [2].
В комплекс нормируемых показателей безопасности растительных масел включены в числе прочего кислотное и перекисное числа, регламентируемые государственными стандартами [4, 5].
Поиски более оперативных и недорогих методов анализа растительных масел привели к разработке нового направления, в основе ко-
торого лежит определение неэлектрических величин методами электрических измерений. При этом физические или химические характеристики жидкостей, а также их состав определяют косвенным путем — сопоставлением с их электрофизическими параметрами, которые измеряют специально разработанными для этой цели методами и устройствами.
В основу разработки предлагаемого устройства положен способ определения рода жидкостей [6]. Согласно изобретению способ заключается в том, что измеряют удельные активные электропроводности жидкости в диапазоне частот электромагнитных колебаний от 1 кГц до 10 МГц при двух любых температурах жидкости в указанном диапазоне. По пересечению зависимостей от частоты удельных электро-проводностей при двух (и более) температурах находят характеристическую частоту колебаний, которую используют как основной критерий определения рода жидкости.
Было установлено, что точка пересечения (ТП) частотно-температурных зависимостей для отдельного вида растительного масла является индивидуальным показателем его внутреннего электромагнитного состояния (качества), обусловленного химическим составом, молекулярной структурой, наличием добавок и примесей. Этот показатель выражается сочетанием двух параметров — характеристической частоты и характеристической электропроводности.
Принципиальная схема установки приведена на рис. 1 [7].
