Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Климатические условия Монголии, характеристики температурного режима и продолжительности светового дня 9
1.2. Обоснование применения электрической энергии для нагреватель ных и осветительных установок производственного и бытового назначения 13
1.3. Электронагревательные и осветительные установки производственного и бытового назначения для аграрных хозяйств Монголии.. 16
1.4. Способы и технические средства управления электронагревательными и осветительными установками 37
1.5. Состояние научных исследований управления электронагревательными и осветительными установками, задачи исследования... 45
2. Исследование энергетических характеристик электронагревательных и осветительных установок с полупроводниковыми преобразователями 48
2.1. Основные энергетические характеристики электроустановок с полупроводниковыми преобразователями 48
2.2. Структурные схемы электронагревательных и электроосветительных установок с полупроводниковыми преобразователями 60
2.3. Энергетические характеристики системы: полупроводниковый преобразователь - электронагревательная и электроосветительная установка 64
2.4. Методика расчета энергетических характеристик электронагрева тельных и осветительных установок с преобразователями 73
3. Технические средства, обеспечивающие энергосберегающее управле ние электронагревательными и осветительными установками 82
3.1. Энергосберегающие полупроводниковые преобразователи для управления электронагревательными установками 83
3.2. Энергосберегающие преобразователи для управления осветительными установками 90
3.3. Системы управления тиристорными преобразователями электронагревательных и осветительных установок 97
4. Экспериментальные исследования устройств управления электрона гревательными и осветительными установками 111
4.1. Методика экспериментальных исследований электронагревательных и осветительных установок с полупроводниковыми преобразователями 111
4.2. Оценка погрешности экспериментальных и теоретических исследований 118
4.3. Результаты экспериментальных исследований 121
5. Технико-экономическая оценка эффективности энергосберегающего управления электронагревательными и осветительными установками 130
5.1. Определение сметной стоимости оборудования 130
5.2. Определение дополнительных эксплуатационных расходов 134
5.3. Определение экономической эффективности внедрения преобразователей 136
Список использованных источников 142
Приложения 151
- Обоснование применения электрической энергии для нагреватель ных и осветительных установок производственного и бытового назначения
- Структурные схемы электронагревательных и электроосветительных установок с полупроводниковыми преобразователями
- Энергосберегающие преобразователи для управления осветительными установками
- Оценка погрешности экспериментальных и теоретических исследований
Введение к работе
Решение проблемы энергосбережения в условиях развивающегося топливно-энергетического комплекса Монголии создает условия для широкого применения электрической энергии, расходуемой на обогрев и освещение производственных, административных и бытовых помещений, а также для выполнения технологических процессов в крестьянских хозяйствах. Актуальность расширенного применения электронагревательных и осветительных установок имеет особое значение для страны с мощным аграрным производством, с производственной направленностью на отгонное скотоводство и с возрастающим числом фермерских, крестьянских хозяйств, рассредоточенных на большой территории. Применение автономных систем электротеплоснабжения в небольших крестьянских хозяйствах позволяет снизить энергозатраты на 30.. .40% и общие производственные затраты на 20.. .30% [1,2].
Дальнейшее снижение энергоемкости технологических процессов возможно за счет управления мощностью технологических установок, за счет обеспечения оптимального режима работы электроустановок с помощью полупроводниковых преобразователей. С применением полупроводниковых преобразователей снижается расход энергии электронагревательными и осветительными установками до 20...40%) от их общего энергопотребления, улучшается качество работы электроаппаратов [3,4].
В настоящее время разработаны и заводами изготавливается преобразовательная техника, комплектная аппаратура управления с использованием различных силовых полупроводниковых приборов и широким рядом установленных мощностей. Однако общим недостатком полупроводниковых преобразователей являются: ухудшение энергетических показателей потребителей электроэнергии, отрицательное воздействие преобразователей на показатели качества электрической энергии в питающих электрических сетях и на работу других электроаппаратов, ограниченная единичная установленная мощность. Так коэффициент мощности электроустановок с известными пре-
5 образователями снижается до нуля при управлении активной мощностью нагрузки. Коэффициент несинусоидальности и размах колебаний напряжения в сети превышают предельно допустимые значения, если преобразователь мощностью 20 кВА питается от трансформаторных подстанций 160 кВА и менее с длиной электрических линий 10 кВ и 0,4 кВ не более 500 м.
В этой связи решаемая проблема повышения энергетической эффективности преобразовательной техники для электронагревательных и осветительных установок с электроснабжением от маломощных источников и электрических сетей является актуальной.
Диссертация посвящена исследованию энергетических процессов в электронагревательных, осветительных установках и обеспечению энергосбережения на основе управления мощностью.
Научную новизну диссертационной работы характеризуют следующие основные результаты:
исследована физическая сущность энергетических процессов в системе: полупроводниковый преобразователь - электронагревательная и осветительная установка и разработана математическая модель энергетических процессов в электрических цепях с преобразователями;
предложен новый метод повышения энергетической эффективности полупроводниковых преобразователей, заключающийся в плавном изменении способа соединения нагревательных элементов во времени установок, работающих по свободному режиму энергоснабжения и теплоаккумулирую-щих установок с принужденным режимом энергоснабжения;
энергоэкономия и увеличение ресурса осветительных установок обеспечивается преобразователями, мощность которых меньше установленной мощности нагрузки за счет прямой передачи неуправляемой части мощности от источника к потребителям электрической энергии;
разработанными системами управления обеспечивается реализация алгоритмов управления полупроводниковыми преобразователями электронагревательных, осветительных установок для достижения энергосбережения и
их электромагнитной совместимости с маломощными электрическими сетями.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
разработаны полупроводниковые преобразователи, обеспечивающие энергосбережение, электромагнитную совместимость с электрическими сетями и выполняющие зарядку теплоаккумулирующих установок без увеличения потребляемого тока из сети в процессе управления мощностью электронагревательных установок, работающих в режиме свободного энергоснабжения, преобразователи внедрены в фермерских и крестьянских хозяйствах;
алгоритм управления полупроводниковыми преобразователями позволяет применять современные электронагревательные, осветительные установки в подсобном хозяйстве и в быту населения с электроснабжением от маломощных источников энергии через электрические сети, отличающиеся большой протяженностью и малой пропускной способностью;
математическая модель энергетических процессов и методика расчета энергетических характеристик электронагревательных, осветительных установок применяется в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации специалистов.
Достоверность разработанных математических моделей, методики расчета и эффективность технических решений обоснована теоретически и подтверждена оценкой адекватности теоретических и экспериментальных исследований. Погрешность расчетных значений, не превышающая ±5%, получена с «надежностью» не менее 95% и обеспечена точностью измерительных приборов, необходимым количеством измерений.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Монгольского сельскохозяйственного университета и Иркутского государственного университета путей сообщения 1997...2003 г.г., на международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного произ-
7 водства» (МГАУ, г.Москва, 1997г.), на Юбилейной научно-технической конференции Иркутской государственной сельскохозяйственной академии 2001г., на семинаре «Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование» (Международный выставочный комплекс «СибЭкспоЦентр», г.Иркутск, 1-4 октября 2002г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 5 статей в сборниках научных трудов, в научно-технических журналах и тезисы доклада.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников, включающего 96 наименований и приложений. Объем диссертации содержит 150 страниц машинописного текста, 41 рисунок и 24 таблицы.
Обоснование применения электрической энергии для нагреватель ных и осветительных установок производственного и бытового назначения
Важнейшей проблемой, от решения которой зависит прогресс и дальнейшее развитие человеческого общества, а также условия жизни людей является эффективность использования природных ресурсов, сырья, материалов, топлива и энергии на всех стадиях - от добычи, комплексной переработки сырья и первичных энергоносителей до выпуска и использования конечной продукции. Энергетическое развитие страны определяет уровень ее развития и ее материально-техническое, экономическое состояние. История развития мировой энергетики показывает, что, несмотря на ведущее место стационарных огневых процессов, потребляющих твердое топливо, во всех странах в настоящее время широко используются возобновляемые источники энергии и наблюдается переход на эффективные виды энергии [5]. К эффективному виду энергии относится электрическая энергия, преимущества которой по сравнению с другими видами энергии общеизвестны и не вызывают сомнения. Это прежде всего большое количество первичных энергоносителей для ее производства, как на мощных электростанциях, объединенных в единую энергосистему, так а на автономных источниках малой мощности. Передачу электрической энергии с малыми потерями на большие расстояния с высокой скоростью не имеет смысла сравнивать с другими видами энергии. Удобство распределения электрической энергии по многочисленным потребителям обеспечивается независимо от количества и от места их расположения, при различной мощности потребителей.
Человеческое общество накопило большой опыт легкого и удобного преобразования электрической энергии в иной вид энергии. К настоящему времени разработаны устройства, позволяющие изменять параметры электрической энергии в широких пределах, для управления разнообразными электрифицированными технологическими процессами. Электрическая энергия является осно вой для широкой автоматизации различных процессов на производстве и в быту, для высвобождения людей от непосредственного участия в ведении процесса и широкого использования микропроцессоров, компьютеров для управления, контроля, защиты, сигнализации, тестирования и диагностики отдельных элементов автоматизированной установки.
Энергетическая характеристика современной Монголии на примере аграрного сектора экономики страны имеет следующие показатели. От центральной энергосистемы страны аграрным комплексом потребляется около 38% от общего потребления электроэнергии, что составляет более 34,3 млн.кВт-ч. Централизованным электроснабжением охвачено около 17% хозяйств и населенных пунктов. От межхозяйственных, аймачных, промышленных и автономных дизельных электростанций (ДЭС) получено более 60 млн.кВт-ч электроэнергии со средним числом часов использования установленной мощности ДЭС - 1200 часов. Большинство крестьянских хозяйств Монголии получают электроэнергию от индивидуальных дизельных электростанций, которых в настоящее время насчитывается около 1000, с суммарной установленной мощностью 47500 кВт.
Дальнейшее развитие электроснабжения аграрного комплекса Монголии за счет расширения территорий с централизованным электроснабжением путем увеличения количества хозяйств и мощности потребителей, присоединенных к центральной энергосистеме с отпуском электроэнергии до 3,2...3,4 млрд.кВт-ч.
ДЭС укрупненной мощности объединяются в местные системы электроснабжения для потребителей, удаленных от центральной энергосистемы Монголии. Увеличивается количество хозяйств и населенных пунктов, которые присоединяются к межхозяйственным, аймачным и промышленным ДЭС с повышением установленной мощности источников электроэнергии. Происходит увеличение агрегатной мощности автономных ДЭС с ростом количества электрифицированных крестьянских хозяйств и с повышением присоединенной мощности отдельных потребителей электрической энергии. При электроснабжении от центральной энергосистемы страны удельное потребление электро энергии на одного сельского жителя Монголии составляет 165 кВт-ч, а электровооруженность труда - 260 кВт-ч на одного работающего. В хозяйствах с автономным электроснабжением электропотребление на одного жителя составляет 108 кВт-ч, а уровень электровооруженности труда равен 170 кВт-ч электроэнергии на одного работника.
В крупных аграрных хозяйствах (общая земельная площадь 400000 га, сельхозугодия - 35000 га, в том числе пастбища 33500 га, пашня - 1500 га), подключенных к центральной энергосистеме страны в среднем имеется около 10...12 трансформаторных подстанций. Единичная установленная мощность трех трансформаторных подстанций (ТП) 180 кВА, а установленная мощность каждой из девяти трансформаторных подстанций составляет 63 кВА. Суммарная установленная мощность ТП равна 1100 кВА. Ежегодное потребление электроэнергии хозяйством составляет 1600 тыс.кВт-ч.
Количество электродвигателей в хозяйстве составляет около 85 штук, суммарная номинальная мощность которых составляет 268 кВт. Мощность тракторов 5700 кВт, мощность комбайнов - 3800 кВт, мощность автомобилей -4000 кВт.
Крупные аграрные хозяйства, как правило, являются многоотраслевыми, где одновременно выращивается несколько видов скота. Общее поголовье составляет в среднем около 70 тыс. физических единиц. Например, овцы могут составлять 68% от общего поголовья, крупный рогатый скот - более 14%, козы - 10%», лошади - 7,5%о, верблюды - 0,5%. За счет овощеводства хозяйство получает 45%) денежных средств от реализации продукции и за счет содержания крупного рогатого скота - 44% денежных средств от реализации этой товарной продукции.
Таким образом, учитывая тенденции и приоритеты развития мировой энергетики, климатические условия Монголии, особенности исторических национальных традиций народа, производственную направленность их деятель
Структурные схемы электронагревательных и электроосветительных установок с полупроводниковыми преобразователями
Для управления энергопотреблением электроустановок и для изменения параметров электрической энергии широкое применение получили следующие структурные схемы соединения источников, преобразователей и потребителей электрической энергии.
Построение электроустановок по схеме рис. 2.26 предпочтительнее. Чем по схеме рис. 2.2.а, так как в момент коммутации тока по СПП преобразователя короткое замыкание источника энергии исключается, а ток коммутации протекает через потребитель электрической энергии и за счет этого выполняется работа. Вероятность режима короткого замыкания в схеме рис. 2.2а выше, нежели в схемах рис. 2.2.6, в. Так как в семе рис. 2.2а короткое замыкание может возникать из-за неисправностей в преобразователе Пив потребителе ZH. В схемах рис 2.26, в короткое замыкание возможно из-за неисправностей только в потребителе электрической энергии Z,,. В схемах рис 2.26, в соединение выполняется исходя из удобства монтажа и размещения элементов электроустановки. В трехпроводных и в четырехпроводных цепях на практике получили применение схемы рис 2.3.
Схемы рис 2.3а, б отличаются друг от друга коэффициентом преобразования напряжения и им свойственны недостатки схемы рис. 2.2а. В схемах рис 2.2в, г потребитель электрической энергии Z„ является секционированным, что чаще всего имеет место на практике.
В ряде работ [22, 54, 62, 67] предложено выполнять построение электроустановок с полупроводниковыми преобразователями для управления энергопотреблением путем распределения мощности по секционированным потребителям без уменьшения вектора напряженности электрического поля источника энергии. В соответствии с уравнением (2.13) это позволяет уменьшить вектор
Рис. 2.4. Структурная схема электроустановок с преобразователями исекционированными потребителями в двухпроводных цепях. В работе [68] предложено соединять секционированный потребитель по схеме рис. 2.5, что позволяет также как и в схемах рис. 2.4снизить векторплотности тока проводимости 8 и решить проблемы электромагнитной совместимости преобразователя с источником и потребителем электрической энергии.
Заслуживают внимания технические решения [69, 70], направленные не только на энергосбережение, но и на снижение массы, габаритных размеров преобразователя и количества расходных материалов, затрачиваемых на изготовление преобразователя.
Некоторые потребители электрической энергии способны работать при отклонении напряжения от номинального в определенных пределах (лампы накаливания, разрядные лампы, телевизоры, радиоприемники, электродвигатели и др.). Мощность, которая поступает к таким потребителям при минимально допустимом уровне напряжения можно подавать на зажимы потребителей непосредственно от источника, помимо преобразователя. Регулируемая мощность, поступающая к потребителю через преобразователь, зависит от разности максимального и минимального допустимого уровня напряжения на зажимах потребителя электрической энергии. Произведение этой разности напряжений на ток представляет собой часть мощности, которая поступает к потребителю через преобразователь при построении электроустановок по схемам рис. 2.6. В традиционных электроустановках вся мощность, передаваемая от источника к нагрузке Z„, проходит через преобразователь П, поэтому его мощность должна быть не меньше мощности нагрузки. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей с электрическими сетями и с нагрузкой в схемах рис. 2.6 выше, нежели при применении традиционных технических решений, так как здесь ток коммутируемых СПП меньше полного тока нагрузки Z...
Эквивалентная схема замещения электрической цепи электронагревателей и электроосветительных установок (рис. 2.7) содержит: источник энергии с действующим напряжением U, с любой формой кривой мгновенных значений; преобразователь с полупроводниковыми приборами, соединенными определенным образом в соответствии с назначением и с выполняемыми функциями; эквивалентное полное электрическое сопротивление электронагревательных и электроосветительных установок Z„, величина которого может изменяться в зависимости от величины тока, от его формы, от частоты, от температуры и других свойств полупроводников.
Данная электрическая цепь относится к нелинейным по нескольким причинам. Уровень и форма питающего напряжения U зависит от величины тока. Потребляемого электроустановкой и от его формы, которые определяются алгоритмом работы преобразователя, а также характером нагрузки преобразователя. Маломощные источники электрической энергии и развитые с большой протяженностью электрические сети Монголии обуславливают необходимость учета этой нелинейности. Полупроводниковые приборы преобразователя явля ются типичными нелинейными элементами. Вольтамперная характеристика силовых полупроводниковых приборов обычно представляется в математических моделях в виде кусочно-линейной аппроксимации ее участков во время проводящего и непроводящего состояния приборов. Однако в известных энергетических характеристиках факторы продолжительного нахождения полупроводниковых приборов преобразователей в одном из двух состояний учитываются не полно и, в основном, рассматриваются с точки зрения нелинейных искажений формы кривой мгновенных значений тока [41, 42, 46, 52, 64, 65 и др.]. В результате исследований электрических цепей с полупроводниковыми приборами расширено физическое содержание понятия реактивной мощности.
Реактивная мощность вызывается не только скоростью изменения энергии в магнитном и электрическом поле, но и скоростью изменения величины активного сопротивления [52]. Активное сопротивление меняется в момент отпирания и запирания полупроводниковых приборов. Так как скорость изменения мгновенной мощности на нелинейном активном резисторе r(t) (полупроводниковом приборе) можно характеризовать энергетическим ускорением [65], то
Длительность импульса реактивной мощности определяется временем включения и выключения силовых полупроводниковых приборов. Время выключения у тиристоров низкой частоты составляет не более 200 мкС, а время включения - не более нескольких десятков микросекунд. Поэтому при активном, активно-емкостном и емкостном характере электрического сопротивления нагрузки преобразователя, несмотря на сравнительно большие амплитуды импульсов реактивной мощности, среднее значение реактивной мощности за период повторения ничтожно мало по сравнению с допускаемыми погрешностями инженерных расчетов и измерений. При активно-индуктивном и индуктивном характере электрического сопротивления нагрузки преобразователя продолжительность коммутации тока с одного силового полупроводникового прибора на другой такова, что скорость изменения величины активного сопротивления значительно снижается, что является причиной уменьшения амплитуды импульсов реактивной мощности. Таким образом, для преобразователей с частотой коммутации силовых полупроводниковых приборов 400 Гц и ниже целесообразно учитывать реактивную мощность, вызываемую скоростью изменения величины активного сопротивления при запирании и отпирании полупроводниковых приборов, с любым характером электрического сопротивления нагрузки преобразователя.
Во время проводящего состояния силовых полупроводниковых приборов даже при предельном токе падение напряжения составляет не более 1,5...2,2 В, то есть не более 1% от действующего напряжения на входе преобразователя. Во
Энергосберегающие преобразователи для управления осветительными установками
Исследованиями уровня напряжения на осветительных установках и других потребителях электроэнергии, критичных к отклонениям напряжения [33, 56, 86], установлено, что при питании их от маломощных источников энергии и от протяженных электрических сетей с малой пропускной способностью напряжение на их зажимах снижается в часы максимума нагрузок и повышается при минимальных загрузках электрических сетей до недопустимых значений. На основании анализа структуры построения электроустановок с преобразователями (раздел 2.2) разработаны преобразователи, которые обеспечивают энергоэкономию, способствуют увеличению ресурса электроприборов и сокращению затрат материалов на изготовление преобразователей, снижению их массы и габаритных размеров [83]. Плавное управление переменными электрическими величинами с помощью полупроводниковых преобразователей неизбежно сопровождается их нелинейными искажениями. Поэтому снижение величины тока, коммутируемого активными элементами преобразователей, направлено на решение проблемы электромагнитной совместимости аппаратов управления с питающей сетью и с потребителями электрической энергии [84]. Данный вопрос приобретает особую актуальность для бытовых электроприборов с конденсаторами, для радио и телевизионных приемников, компьютеров и других сложных электроаппаратов [86, 88].
Возможность снижения мощности энергосберегающих устройств управления определяется интервалом изменения уровня напряжения. Снижение мощности преобразователей по сравнению с мощностью нагрузки обуславливает сокращение потерь энергии в аппаратуре управления. Эффективным использованием действующего значения напряжения на входе устройств управления обеспечивается минимальный потребляемый ток, что способствует сокращению потерь энергии в системах электроснабжения [87].
Минимальное значение мощности преобразователя для осветительных и других бытовых электроприборов ограничивается суммой произведения выбранного интервала управления напряжения Unp на ток нагрузки преобразователя и мощности потерь в преобразователе (рис. 3.5).
Техническая реализация ресурсосберегающего управления возможна, если мощностьІ-Snp будет поступать от источника энергии к нагрузке ZH транзитом (рис. 3.6 б) в отличие от традиционного построения устройств управления (рис. 3.6 а), где вся мощность нагрузки проходит через устройство.
Одним из многочисленных вариантов технической реализации принципа ресурсосберегающего управления (рис. 3.6 б) может быть осуществлено применением вольтодобавочного (вольтопонижающего) трансформатора TV1 (рис. 3.7). Вторичная обмотка трансформатора TV1 включена последовательно с нагрузкой.
В зависимости от уровня напряжения UBX изменяется направление тока 1пр в первичной обмотке трансформатора TV1 с помощью контактора KV. С изменением направления тока в первичной обмотке изменяется направление ЭДС во вторичной обмотке трансформатора.
Если напряжение UBX становится меньше напряжения отпускания контактора KV, то напряжение на выходе преобразователя равно сумме напряжения на входе преобразователя и ЭДС вторичной обмотки трансформатора TV1. Когда напряжение сети превышает напряжение срабатывания контактора KV, то напряжение на выходе преобразователя равно разности напряжения на входе преобразователя и ЭДС вторичной обмотки TV1. Величину ЭДС вторичной обмотки TV1 можно плавно изменять за счет управления величиной тока Іпр в контуре первичной обмотки TV1 с помощью стандартной системы импульсно-фазового регулирования (рис. 3.11, 3.12 а, 3.12 б) для управления силовыми тиристорами VS1 и VS2 с САУ (рис. 3.7).Система автоматического управления (САУ) преобразователем для осветительных установок служит для поддержания заданного уровня напряжения на зажимах светильников и других электроприборов при непрерывном изменении в определенных пределах уровня напряжения в питающей электрической сети. Функциональная схема САУ содержит: объект регулирования (ОР); исполнительный элемент (ИЭ); усилители (Уі и У 2 ); элемент обратной связи (ОС); датчик напряжения (ДН); задатчик (3) и элемент сравнения (ЭС) (рис 3.8).
Исполнительным элементом САУ, непосредственно воздействующим на ОР, является регулятор переменного напряжения, собранный на силовых тиристорах VS1 и VS2. Напряжение Ui регулируется импульсно-фазовым способом с помощью ИЭ, что ведет к изменению тока в контуре первичной обмотки TV1. С изменением тока в контуре первичной обмотки трансформатора изменяется напряжение U2- Импульсы управления силовыми тиристорами VS1 и VS2 формируются в системе управления (СУ) регулятора переменного напряжения, которая содержит операционный усилитель и в целом выполняет функцию усилителя сигнала У2.
Датчиком напряжения (ДН), позволяющим контролировать напряжение на выходе преобразователя UBblx, служит трансформатор TV2 с двумя вторич ными обмотками. Число витков первичной обмотки TV2 и сечение сердечника выбраны таким образом, что магнитная индукция магнитопровода В 1 Тл. То есть, трансформатор работает на прямолинейном участке кривой намагничивания (рис. 3.9), в режиме, близком к режиму холостого хода.
Сигнал обратной связи Uoc получается за счет выпрямления переменного напряжения с одной из вторичных обмоток TV2 диодами VD5 - VD9. Сглаживание пульсаций напряжения выполняется RC-фильтром. Величину сигнала обратной связи Uoc можно изменить в процессе наладки САУ с помощью резистора R2.
В состав задатчика сигнала 3 входят выпрямитель VD1 - VD4, RC-фильтр, стабилизатор напряжения компенсационного принципа действия с регулируемым выходным напряжением U3 на транзисторах VT1,VT2 и стабилитроне VD10. Напряжения U3 и Uoc прикладываются к переходу эмиттер - база транзистора VT3 через сопротивления R8 и R7. Транзистор VT3 выполняет функцию усилителя У]. Напряжение обратной связи Uoc вычитается из напряжения U3, так как сигналом U3 транзистор VT3 переходит к режиму насыщения, а напряжением Uoc работа транзистора переводится к режиму отсечки. Такую обратную связь относят к отрицательной обратной связи. Установкой уровня U3 с помощью резистора R6 и установкой уровня Uoc резистором R2 вы бирается рабочая точка транзистора VT3. Если U3 больше, чем Uoc, то протекает ток базы VT3 по цепи: + U3, эмиттер - база VT3, R8, - U3. По резисторам R9 и R10 протекает ток коллектора транзистора VT3: + U3, эмиттер - коллектор VT3, R9, RIO, - U3. На резисторе R10 создается падение напряжения Uy, которое прикладывается к выводам A2Aj системы управления регулятора переменного напряжения, а также на вход операционного усилителя СУ. СУ уменьшает угол смещения импульсов управления силовыми тиристорами VS1, VS2 ИЭ относительно момента перехода переменным напряжением UBX нулевого значения. В первичной обмотке трансформатора TV1 увеличивается ток, что вызывает повышение напряжения U2 и UBbIx. Повышение напряжения на выходе преобразователя происходит до тех пор, пока разность напряжений Uy = U3 - Uoc не увеличится до заданного при наладке САУ значения. Если напряжение на входе преобразователя UBX начинает повышаться, то возрастают UBbIX и Uoc- Так как положительный потенциал Uoc прикладывается к базе VT3, а отрицательный потенциал прикладывается к эмиттеру VT3, то режим работы транзистора смещается к режиму отсечки. Ток коллектора VT3 уменьшается и снижается падение напряжения на резисторе R10. Угол управления тиристорами VS1 и VS2 возрастает, поэтому ток в первичной обмотке трансформатора TV1 уменьшается. Это вызывает уменьшение напряжения на зажимах вторичной обмотки U2 и напряжение на выходе преобразователя UBbIX снижается до заданного уровня, то есть, пока вновь разность напряжений Uy = U3 - Uoc не уменьшится до заданного значения.Когда напряжение на входе САУ UBX ниже номинального напряжения на зажимах осветительной установки, то UBbIX восстанавливается до заданного уровня с помощью напряжения (UBX + U2) за счет потребления преобразователем дополнительного тока її из сети, который через ИЭ поступает в контур первичной обмотки трансформатора ОР. Ток на входе преобразователя равенсумме ТОКОВ I] + 1ВЫХ.
Оценка погрешности экспериментальных и теоретических исследований
Одной из задач, связанных с оценкой погрешности экспериментальных и теоретических исследований, является изучение погрешности измерений, проверка точности применяемых методов расчета и правомерности допущений, проверка соответствия математических моделей реальным физическим явлениям. Осциллограммы и протокольные записи, полученные в ходе опытов, с определенной точностью характеризуют исследуемые процессы и визуальные наблюдения.
На погрешность экспериментов, как известно, влияют систематические и случайные ошибки. Для снижения систематических ошибок выполнялся подбор контрольно-измерительных приборов с высоким классом точности и сопоставление показаний нескольких приборов, измеряющих одну и ту же величину. Так для измерения действующих значений напряжения применялись вольтметры класса точности 0,2...0,5. Для регистрации формы напряжения применялись измерительные трансформаторы напряжения УТН-1 класса 0,2 и резистивные делители напряжения, сигнал с которых поступал на аналого-цифровой преоб разователь Е-330 и компьютерный осциллограф Celeron 500 с погрешностью воспроизведения входного сигнала не более ± 2 %. Для измерения тока, активной, реактивной мощности применялись амперметры, ваттметры, варметры, измерительные комплекты класса точности 0,5 и трансформаторы тока УТТ-5М класса точности 0,2.
Суммарная предельная погрешность отдельных элементов измерительного тракта определяется по формуле [89]:где 8пр = 0,5 % - погрешность приборов при тарировке;8Г = 0,5 % - погрешность от нелинейности амплитудной и частотной характеристик внешнего модуля АЦП; 5д = 1% - погрешности от дестабилизирующих факторов (вибрация, нестабильность напряжения в сети и т.д.); 8Р = 0,75 % - погрешности регистрации;50 = 0,5 % - погрешности при обработке изображения на компьютере. Суммарная предельная погрешность измерений составила ± 3,25 %.
Проверку адекватности математической модели, представляющей собой баланс мощности (2.22, 2.27), экспериментальным данным, можно выполнить на примере электронагревательных установок с полупроводниковыми преобразователями:
Вычисление погрешности измерений при экспериментальных исследованиях полной мощности на входе электронагревательной установки с полупроводниковым преобразователем выполнено по результатам опытов (приложение 4.7,4.8). где Sy - дисперсия;Sy ост - остаточная дисперсия; N - количество сравнимых значений. Условие «надежности» соответствия расчетных значений реальным значениям:
Полученная математическая модель энергетических процессов в электроустановках с полупроводниковыми преобразователями адекватно описывает физические процессы, происходящие в электронагревательных и осветительных установках с преобразователями.
Оценка погрешности экспериментальных и теоретических исследований показала, что точность измерений и результатов расчета соответствуют требованиям, которые предъявляют к научно-исследовательским работам.
В ходе экспериментальных исследований проверена работоспособность разработанных тиристорных преобразователей для управления электронагревательными и осветительными установками, измерены действующие значения напряжений, токов, активной, реактивной мощностей на входе и на выходе преобразователей в номинальном режиме и в режимах управления. Результаты измерений позволили рассчитать энергетические характеристики преобразователей электронагревательных и осветительных установок (приложения 4.10...4.20). Сняты осциллограммы напряжений, токов, которые позволяют оценить воздействие преобразователей на показатели качества электрической энергии в системе электроснабжения и на воздействие преобразователей на нагрузку.
Исследованиями установлено, что в режимах управления активной мощностью с помощью известных полупроводниковых преобразователей снижается коэффициент мощности электронагревательных установок с увеличением глубины регулирования. В ходе экспериментов изменялся способ управления силовыми полупроводниковыми приборами преобразователей, а в качестве СПП использовались тиристоры, IGBT-транзисторы. У преобразователей с фазовым управлением и с модуляцией на основной частоте, с управлением модуляцией на низкой частоте и а = 0, с широтно-импульсной модуляцией на высокой частоте полная мощность на выходе преобразователей значительно меньше полной мощности на входе преобразователей в режимах управления. Изучение режимов управления позволило установить, что при одном и том же действующем токе на входе и на выходе преобразователей действующее напряжение на выходе преобразователей уменьшается с увеличением глубины регулирования мощности электронагревательных установок. Таким образом, действующее напряжение на входе преобразователей в режимах управления прикладывается к электронагревательным элементам и к силовым полупроводниковым приборам преобразователя, увеличивается AS, что является основной причиной ухудшения энергетических показателей электроустановок с преобразователями.
Коэффициент полезного действия преобразователей, собранных на тиристорах, в номинальном режиме и в режимах управления остается сравнительно высоким и не менее 0,98. КПД у преобразователя на IGBT-транзисторах в номинальном режиме гн равен 0,9 и снижается до 0,3 в режимах управления, что указывает на неоправданное многократное преобразование энергии и на работу транзисторов в активной области выходных характеристик, на существенные потери мощности в СПП преобразователя (приложение 4.12). В номинальном режиме коэффициент мощности преобразователя с широтно-импульсной модуляцией на высокой частоте Км составляет 0,725. Низкий коэффициент мощности электронагревательной установки с данным преобразователем обусловлен
