Бездавачеве керування електромеханічними системами турбомеханізмів з використанням технології нейромереж
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Землянухіна Г.Ю. Бездавачеве керування електромеханічними системами турбомеханізмів з використанням технології нейромереж. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023.
У дисертаційній роботі вирішується задача підвищення ефективності роботи турбомеханізмів за рахунок розробки бездавачевої електромеханічної системи автоматичного керування з оцінювачами технологічних координат на основі штучних нейронних мереж в умовах зміни параметрів гідромережі. У першому розділі проведено аналіз існуючих сучасних енергоефективних систем керування турбомеханізмами, що живляться від альтернативних джерел енергії, та систем бездавачевого керування з метою обґрунтування необхідності вирішення розглянутої у роботі науково-прикладної задачі. За результатами аналітичного огляду встановлено, що використання датчиків технологічних координат значно збільшує вартість та ускладнює процес обслуговування таких систем керування турбомеханізмами, зокрема насосами, вентиляторами та компресорами. Тому сучасні методи реалізації бездатчикових систем керування, зокрема використання штучних нейронних мереж, представляють перспективним підходом. Здатність цих мереж до навчання на основі обширних вхідних даних робить їх ефективним інструментом для оцінювання координат турбомеханізмів. Розглянуто типові автономні системи генерації електричної енергії, а саме при використанні асинхронних, синхронних двигунів та машин подвійного живлення. Серед новітніх альтернативних систем для генерації електричної енергії набувають популярності вітроустановки, які використовують асинхронні генератори. У другому розділі проведено розробка та опис тренування оцінювачів технологічних координат на основі теорії штучних мереж із класичними структурами мереж та стандартними алгоритмами їх навчання, а також при використанні модифікованої структури нейронних мереж із зворотнім зв’язком, що дозволяє підвищити точність оцінювання при варіаціях опору гідравлічної мережі. Наведено математичний опис нейронних мереж, що, як наслідок, в подальшому дозволяє реалізувати розроблені нейронні мережі використовуючи низько-середньо рівневі контролери, такі як програмовані логічні інтегральні схеми (ПЛІС) та інші. Розглянуто покроковий алгоритм навчання нейронних мереж із класичною та модифікованою схемою перцептронів за допомогою інструментів MATLAB nntool та ntstool відповідно. Наведені результати тренування оцінювачів технологічних координат, а саме оцінювача тиску та продуктивності, показують, що точність такого оцінювача становить 10%. У третьому розділі наведено математичний опис та опис основних елементів двох варіантів електромеханічної системи керування турбомеханізмом при живленні від вітрогенератора з використанням електронного регулятора навантаження (ЕРН) та статичного компенсатора (STATCOM). Проведено дослідження системи водопостачання при живленні від вітрогенератора із застосуванням статичного компенсатора в умовах стабілізації тиску гідромережі методом математичного моделювання використовуючи пакети прикладних програм MATLAB Simulink та SimPowerSystems. Результати вказують на те, що розроблена система забезпечує стабілізацію напору в гідравлічній мережі на задовільному рівні при змінах опору відповідно до технологічних вимог. Динамічна похибка в регулюванні напору системи не перевищує 1%. Використовуючи теорію штучних нейронних мереж, досліджено коефіцієнт корисної дії (ККД) насосу систем в межах типового добового циклу споживання води. Для проведення дослідження створено оцінювач ККД, тренування якого здійснювалося на основі статичних характеристик насосу, які можна отримати з каталогів обладнання відповідних виробників. У четвертому розділі розглянуто різні типи реалізації системи стабілізації напруги асинхронних генераторів, такі як електронний регулятор навантаження (ЕРН) та статичний компенсатор (STATCOM). Як наслідок встановлено, що використання електронного ЕРН в автономній системі генерації електричної енергії дозволяє втрати енергії, що утворюються при живленні основних активних споживачів, перерозподіляти для задоволення потреб споживачів системи водопостачання. Проведено дослідження системи керування турбомеханізмом при використанні оцінювача тиску із класичними структурами мереж та стандартними алгоритмами навчання, а також при використанні модифікованого оцінювача тиску із зворотнім зв’язком. Дослідження перехідних процесів систем проводилися методом математичного моделювання в умовах стабілізації тиску. Результати дослідження показують, що динамічна похибка відпрацювання тиску системи не перевищує 1%. Порівнюючи оцінені значення тиску, які отримані від системи бездатчикового керування турбомеханізмом при живлені від вітрогенератора із використанням електронного регулятора навантаження, і фактичний тиск, що може бути виміряний за допомогою датчика тиску, встановлено, що похибка оцінки тиску знаходиться в межах від 0% до 14%. Похибка в оцінці тиску в бездатчиковій системі керування турбомеханізмом із використання статичного компенсатора знаходиться в діапазоні від 0% до 8%, що відповідає технологічним вимогам і є прийнятним для вимірювання координат мережі за допомогою контрольно-вимірювальних приладів. У п’ятому розділі наведено опис експериментального стенду для дослідження бездавачевої системи керування вентилятором, умови проведення експерименту та результати проведення експериментальних досліджень. Дослідження вказують на те, що для приблизно 40% діапазону частот розроблений алгоритм управління є ефективним і може забезпечити точне оцінювання технологічних координат. Це відкриває можливість використання оцінювачів, реалізованих на основі теорії штучних нейронних мереж, для заміни датчиків у таких системах. Наведено опис експериментального стенду для дослідження системи водопостачання із використанням оцінювачів коефіцієнта корисної дії (ККД) та продуктивності. Реалізовано нейронні мережі на основі їх математичного опису для оцінювання технологічних координат на базі програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС). Підтверджено ефективність розробленого оцінювача ККД насосної установки, розбіжність між експериментальними та модельними даними не перевищує 15% на напорах до 7 метрів і 5% від 7 до 20 метрів, що вважається прийнятним для використаного обсягу даних і характеристик вхідних сигналів нейронної мережі. У рамках дослідження здійснено техніко-економічне обґрунтування застосування програмованих логічних інтегральних схем у порівнянні з традиційними датчиками тиску та продуктивності в системах водопостачання. Отримані результати дозволили зробити висновок щодо можливостей оптимізації ефективності систем водопостачання за допомогою використання ПЛІС. Враховуючи технічні та економічні аспекти, використання ПЛІС виявилося конкурентоспроможним та перспективним підходом порівняно із традиційними методами, такими як застосування датчиків тиску і продуктивності (витратомірів). Результати роботи впроваджено: в ДП «Сіменс Україна» (м. Київ) та в освітній процес у Київському політехнічному інституті імені Ігоря Сікорського для вдосконалення лекційних курсів та оновлення циклів лабораторних робіт дисциплін «Електромеханічні системи типових технологічних застосувань» та «Керування та автоматизація технічних систем». Подальше впровадження результатів дисертації рекомендується на підприємствах електротехнічного профілю України.
Опис
Ключові слова
електромеханічна система, турбомеханізм, асинхронний двигун, асинхронний генератор, вітрогенератор, система водопостачання, бездавачеве керування, стабілізація напору, штучна нейронна мережа, оцінювання технологічної координати, гідравлічний опір мережі, альтернативне джерело енергії, коефіцієнт корисної дії, electromechanical system, turbomechanism, induction motor, wind generator, water supply system, sensorless control, pressure stabilization, artificial neural network, technological coordinate observetion, hydraulic network resistance, alternative energy source, efficiency
Бібліографічний опис
Землянухіна, Г. Ю. Бездавачеве керування електромеханічними системами турбомеханізмів з використанням технології нейромереж : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Землянухіна Ганна Юріївна. – Київ, 2023. – 155 с.