Содержание к диссертации
Введение 6
ГЛАВА 1. Проблема повышения гибкости электротехнических
комплексов для электроснабжения технологического
оборудования 17
Общая характеристика модульных систем электроснабжения технологического оборудования 17
Гибкие электротехнические комплексы как инструментальное средство реализации оптимального электропотребления 20
Проблема повышения качества электроэнергии при электроснабжении технологического оборудования на базе электротехнических комплексов 27
Модульный принцип построения электротехнических комплексов 34
1.5. Выбор методов исследования гибких электротехнических
комплексов 40
Выводы по главе 1 47
ГЛАВА 2. Системные принципы создания гибких электротехнических
комплексов 49
2.1. Гибкость как системный принцип реализации современной
концепции электроснабжения 49
Гибкость электротехнических комплексов, питающих потребителей с различными параметрами электроэнергии ... 58
Гибкость электротехнических комплексов на основе минимизации структурной избыточности установленной мощности 64
Гибкость электротехнических комплексов на основе критерия мощности потерь 75
Выбор модульного ряда гибких электротехнических комплексов на основе минимизации избыточной установленной мощности и мощности потерь 77
Выбор модульных рядов гибких электротехнических комплексов на основе минимизации избыточной установленной мощности с учетом реальных графиков изменения нагрузок 79
Выводы по главе 2 83
ГЛАВА 3. Математические модели для исследования модульных
электротехнических систем 85
3.1. Математическое моделирование модульных систем на 85
основе фреймового подхода
Представление структур гибких электротехнических комплексов на уровне видов и кратности преобразований ... 95
Представление структур гибких электротехнических комплексов на уровне базовых модулей 96
3.4. Логико-лингвистическое описание графиков нагрузок при
моделировании гибких электротехнических комплексов .... 104
3.5. Модели компоновок гибкого электротехнического
оборудования 109
Выводы по главе 3 120
ГЛАВА 4. Параллельная работа модулей в составе гибких
электротехнических комплексов 122
4.1. Распределение мощности в многомодульных
электротехнических комплексах 122
Распределение мощности между модулями, работающими параллельно без средств управления 128
Распределение мощности между параллельно работающими модулями с нормальным законом распределения
эквивалентных сопротивлений 133
4.4. Регулирование распределения мощности нагрузки
в модульных электротехнических комплексах 142
4.4.1. Определение характеристик системы регулирования
при параллельной работе модулей 142
4.4.2. Исследование распределения мощности нагрузки
при параллельной работе модулей с управляемыми
выпрямителями 146
Выводы по главе 4 153
ГЛАВА 5. Построение структур гибких электротехнических комплексов 155
5.1. Формализация поиска структур гибких электротехнических
комплексов при минимизации установленной мощности .... 155
5.2. Формирование структур гибких электротехнических
комплексов на основе стыкуемости интерфейсов модулей ... 159
5.3. Базовые модели с несколькими входными и выходными
интерфейсами 167
5.4. Гибкие комплексы для систем автоматизированного
электропривода 170
5.5. Методы управления структурой гибких электротехнических
комплексов 179
Выводы по главе 5 187
ГЛАВА 6. Электромагнитная совместимость гибких электротехнических
комплексов с питающей сетью 189
6.1. Основные показатели качества электроэнергии,
потребляемой на входе гибкими электротехническими
комплексами 189
6.2. Влияние модульных электротехнических структур на
питающую сеть 191
6.3. Уменьшение искажающего влияния гибких
5
электротехнических комплексов с варьированием числа
модулей на входную сеть 199
6.4. Уменьшение искажающего влияния на сеть гибких систем
электроснабжения с использованием компенсаторов
реактивной мощности 205
6.5. Искажения спектра входного тока многомодульного
электротехнического комплекса под влиянием
неопределенности параметров модулей 217
Выводы по главе 6 227
ГЛАВА 7. Улучшение показателей качества электроснабжения на выходе
гибких электротехнических комплексов 229
Улучшение качества выходного напряжения в гибких электротехнических комплексах 229
Структуры выходных цепей гибких электротехнических комплексов с расщепленной конденсаторной батареей 237
Уменьшение избыточности установленной мощности конденсаторного оборудования в гибких электротехнических комплексах 245
Анализ гармонического состава кривой выходного напряжения комплекса параллельно работающих инверторов тока с расщепленной конденсаторной батареей и последовательно-параллельного 251
Расширение типов модулей, объединяемых в гибких электротехнических комплексах на базе многоэлементной конденсаторной батареи 261
Выводы по главе 7 265
Заключение 267
Список литературы 272
Приложение 299
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основой поступательного развития отечественной экономики в рыночных условиях является повышение эффективности производства. Решение этой проблемы связано с созданием новых и совершенствованием существующих технологий, что сопровождается ростом количества потребителей электроэнергии с различными ее параметрами. В этой связи важное значение приобретают задачи создания эффективных электротехнических комплексов, улучшающих энергетические и эксплуатационные характеристики систем электроснабжения технологического оборудования промышленных предприятий. Рост уровня автоматизации производства, с одной стороны, и постоянное удорожание электрической энергии, приводящее к возрастанию ее составляющей в себестоимости продукции, с другой, делают актуальным распространение методов гибкой автоматизации на организацию современного электроснабжения - от транспортирования до распределения и преобразования электроэнергии для технологических нагрузок.
В широкий спектр нагрузок входят станки и инструменты, использующие частотный электропривод, например, в подшипниковой и деревообрабатывающей промышленности, плавка и термообработка металлов, светотехника и др. Процесс электропотребления современных технологий характеризуется значительным диапазоном изменения потребляемой мощности, необходимостью оперативного изменения параметров подводимой электроэнергии в технологическом цикле, высокими требованиями к ее качеству. Традиционный подход к созданию систем электроснабжения, приводящий к полномасштабной инфраструктуре, имеет существенные недостатки - длительные сроки подготовки к внедрению и низкий коэффициент использования электротехнического оборудования.
Применение принципа модульного формирования электротехнических
7 комплексов (ЭК) позволяет создавать системы, поддерживающие оптимальные режимы обеспечения потребителей электроэнергией с необходимыми параметрами. Повышение эффективности электроснабжения достигается в этом случае изменением структуры ЭК за счет присущей модульным системам гибкости.
В диссертации решаются проблемы развития концепции гибкости в системах электроснабжения технологического оборудования и создания гибких электротехнических комплексов, реализующих эффективное взаимодействие нагрузок с питающей сетью.
Фундаментальные вопросы теории и практики электротехнических комплексов для питания технологической нагрузки проработаны в трудах отечественных и зарубежных ученых И.И. Артюхова, О.Г. Булатова, А.С. Васильева, Т.А. Глазенко, Ю.М. Голембиовского, Л. Джюджи, В.Я. Жуйкова, Г.С. Зиновьева, И.И. Кантера, Ф.И. Ковалева, В.А. Лабунцова, Р. Лаппе, Ю.К. Розанова, B.C. Руденко, Р. Стжелецки, С.А. Харитонова, В.А. Чванова, И.М. Чиженко, А.К. Шидловского, В.П. Шипилло и др.
Повышение эффективности гибких электротехнических комплексов связано с изменением их структуры в зависимости от величины и характера нагрузки. Концепция гибкости, с успехом применяемая, например, в машиностроении и робототехнике, в сочетании с общим принципом модульного формирования технических систем позволяет представить электротехническую систему как энергетический робот, который необходимо "научить" на основе "распределенного разума" составляющих его электротехнических модулей быстро принимать конфигурацию, оптимальную для конкретных значений параметров входной и выходной сетей. Гибкий электротехнический комплекс (ГЭК) как объект проектирования и управления представляет собой систему нового класса, отличающуюся прежде всего сложностью, комплексностью и многофункциональностью компонентов.
Применение стратегии модульного формирования техники в
8 электроэнергетике имеет ряд особенностей, не характерных для других областей ее традиционного использования. Это связано со значительным взаимовлиянием электротехнических модулей и возникающими по этой причине системными эффектами. Например, при параллельной работе всех типов электротехнических устройств возникает проблема распределения мощности нагрузки между агрегатами.
Создание электротехнических комплексов для электроснабжения технологического оборудования электроэнергией с параметрами, отличающимися от общепромышленных, осуществляется в два этапа. На первом выбирается принцип преобразования электроэнергии первичной сети, как правило, имеющей общепромышленную частоту 50 Гц, в электроэнергию, имеющую требуемые параметры. Выбор производится в рамках известных принципов преобразования энергии в схемах преобразователей, соответствующих функциональным классам (выпрямители, преобразователи со звеном постоянного тока, непосредственные преобразователи, инверторы тока и напряжения и т.д.). При этом осуществляется структурный синтез системы, обеспечивающей оптимальное значение некоторой целевой функции при выполнении заданных ограничений. Следует отметить, что формализация данного этапа с целью его дальнейшей автоматизации, проработана недостаточно, ориентируясь в основном на эвристические процедуры.
На втором этапе выбираются варианты модулей, реализующие функции, которые обеспечивают заданные параметры энергетических выходов. Задача построения комплексов, включающая в себя разработку системообразующих процедур, позволяющих переходить от синтезированных с помощью различных методов модулей к объектам более высокого уровня системности, каковыми являются ГЭК, еще не решена.
Имеется большое число примеров удачного применения модульного принципа при синтезе силового электротехнического оборудования. Например, ряд исследований посвящен теории и практике параллельной работы
9 электротехнических агрегатов, позволяющей увеличить мощность комплексов и, в ряде случаев, улучшить их характеристики. В то же время до сих пор не уделено достаточного внимания общей методологии использования концепции гибкости в построении электротехнических комплексов, предназначенных для питания технологического оборудования, которая позволяет поддерживать энергетические показатели электроснабжения на высоком уровне с учетом реального характера нагрузки.
Целью диссертационной работы является разработка научных основ построения гибких электротехнических комплексов на базе принципа модульности и создание новых методов, структур и схем, обеспечивающих высокое качество электроснабжения технологического оборудования.
Для достижения поставленной цели решаются задачи:
Разработка принципов организации модульных электротехнических комплексов, повышающих гибкость процессов электроснабжения технологического оборудования, и метода оценки уровня гибкости при питании потребителей с различными параметрами электроэнергии.
Разработка метода выбора мощностей элементарных модулей в электротехнических комплексах с возможностью варьирования общей установленной мощности при изменении нагрузки.
Развитие теории модульных электротехнических комплексов с автоматически перестраиваемой структурой, определяемой реальным характером изменения параметров электрических нагрузок.
Исследование процессов распределения мощности нагрузки между параллельно работающими модулями в статических и переходных режимах, определяемых перестройкой силовой части комплекса.
Разработка структур и схем гибких электротехнических комплексов и способов управления ими применительно к конкретным базовым модулям (трансформаторы, выпрямители, преобразователи постоянного напряжения, непосредственные преобразователи частоты, инверторы) и видам нагрузки.
Определение путей уменьшения влияния гибких электротехнических комплексов на питающую сеть.
Разработка методов повышения качества электрической энергии на выходе модульных электротехнических комплексов, основанных на распараллеливании (разделении) энергетического потока с последующим суммированием мощностей модулей.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применены методы системного анализа, теории фреймов, нечеткой математики, поиска решений в пространстве состояний, основной гармоники, математического моделирования, численного анализа, а также теории электрических и магнитных цепей.
Достоверность теоретических положений подтверждается корректным использованием математического аппарата, соответствием расчетных и экспериментально определенных параметров, а также результатами испытаний и эксплуатации разработанных электротехнических комплексов в составе действующих систем электроснабжения.
Научная новизна
В диссертационной работе впервые сформулирована и решена проблема построения гибких электротехнических комплексов, изменяющих свою структуру с целью достижения высоких технико-экономических показателей электроснабжения технологического оборудования.
Разработан метод сравнения гибкости электротехнических структур, питающих потребителей с различными параметрами электроэнергии, на основе группы показателей: установленной мощности оборудования, потерь электроэнергии и качества потребляемой или генерируемой электроэнергии.
Предложен метод выбора единичной мощности равномерных рядов в гибких электротехнических комплексах с варьированием количества модулей в зависимости от величины нагрузки по критериям, связывающим стоимость оборудования с затратами на обеспечение заданной надежности или
стоимостью потерь.
Построен алгоритм оптимизации рядов мощностей модулей с учетом графиков изменения нагрузок, дополняемых в условиях неполноты данных графиками, получаемыми экспертным путем в виде лингвистических переменных.
Предложен способ построения многоуровневых (комплекс, агрегат, функциональный блок, конструктивный узел, элемент) модульных компоновок электротехнических комплексов с гибкой структурой, определяемой порядком выполнения во времени питаемых технологических операций и связанных с ними параметрами электрической энергии, основанный на фреймовом подходе.
Получены закономерности распределения мощности между параллельно работающими модулями в зависимости от их числа, КПД и величины разброса эквивалентных сопротивлений в статических и динамических режимах, связанных с включением модуля за минимальное время, предложены методы управления модулями при их параллельной работе, обеспечивающие заданное распределение нагрузки между ними в многомодульных комплексах.
Расширен класс базовых модулей за счет универсальных модулей, реализующих набор функций, и агрегатов, имеющих несколько входных или выходных интерфейсов. Введение дополнительных модулей позволяет улучшить показатели качества электроэнергии, повысить быстродействие при последовательных переходах с одного энергетического выхода на другой, реализовать новые способы управления структурой комплекса в темпе питаемых технологических процессов.
Разработаны структуры и схемы гибких электротехнических комплексов, питающих групповую двигательную нагрузку и обладающие незначительным по сравнению с промышленной сетью запасом мощности по отношению к номинальной нагрузке.
Обоснованы пути уменьшения влияния гибких комплексов с
12 выпрямителями на входе на питающую сеть за счет незначительного варьирования углов управления, поддержания загрузки работающих модулей, близкой к номинальной, и включения состав комплексов компенсаторов реактивной мощности. Произведена оценка влияния малых неопределенных параметров на качество кривой входного тока на основе нечетких чисел для комплекса параллельно включаемых агрегатов с явным звеном постоянного тока.
9. Разработаны методы повышения качества электрической энергии на выходе модульных электротехнических компоновок путем компенсации (6к-1)-й и (6к+1)-й гармоник (к= 1, 2, 3, ...) в спектре выходной кривой при суммировании мощности модулей.
Практическая ценность диссертационной работы
1. Предложенный подход к формированию многомодульных
электротехнических систем позволил получить новые компоновки гибких
электротехнических комплексов, повышающие производственную надежность
электроснабжения технологического оборудования и минимизирующие
мощность потерь.
Разработанные модели позволили исследовать характер распределения мощности между модулями при их параллельной работе в статике и в динамике при структурных перестройках и построить алгоритмы и системы управления отдельными модулями и комплексами, обеспечивающими электроснабжение технологического оборудования различного назначения.
Полученные результаты положены в основу технических решений, улучшающих электромагнитную совместимость с входной сетью и повышающих качество электроэнергии на выходе комплексов, что обеспечивает высокую эффективность электроснабжения технологических нагрузок.
Определены структуры конденсаторной батареи при бестрансформаторном суммировании выходной мощности, уменьшающие
13 общий избыток установленной мощности конденсаторов в многомодульных комплексах.
Научные положения, выносимые на защиту:
Придание электротехническим комплексам свойства гибкости за счет использования принципа модульности позволяет обеспечить близкую к номинальной загрузку функционирующих модулей в широком диапазоне изменения мощности нагрузок, увеличить ресурс времени работы комплексов в среднем в 1,5 раза, повысить их надежность и минимизировать мощность потерь.
В гибких электротехнических комплексах с модульной архитектурой, обеспечивающих варьирование общей установленной мощности, существуют оптимальные ряды номинальной мощности модулей, выбираемые в зависимости от характера изменения нагрузок.
Введение двухуровневого представления структур модульных компоновок гибких электротехнических комплексов на уровне видов и кратности преобразования электроэнергии и на уровне базовых модулей позволяет существенно сократить количество промежуточных вариантов при формировании окончательной структуры.
Выбор структуры и параметров системы распределения мощности нагрузки между параллельно работающими модулями определяется их количеством, КПД и величиной разброса эквивалентных сопротивлений. Объединение функций распределения нагрузки между модулями и стабилизации выходного напряжения осуществляется с использованием разработанных алгоритмов управления, ограничивающих токовые перегрузки в переходных режимах.
Адаптация гибких электротехнических комплексов реализуется автоматически в ходе технологических процессов путем изменения параметров электрической энергии отдельных модулей или структурных перестроек для различных базовых модулей и видов нагрузки, осуществляемых с помощью
14 разработанных схем и алгоритмов управления.
6. Реализация модульного принципа построения электротехнических комплексов, приводящая к распараллеливанию энергетического потока, обеспечивает снижение коэффициента искажения синусоидальности кривой входного тока и повышение качества кривой выходного напряжения до требуемого уровня.
Реализация результатов работы
Работа выполнена на основании тематического плана работ, выполняемых СГТУ по единому республиканскому наряд-заказу, хозяйственных договоров на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Результаты работы использованы при создании гибких систем электроснабжения цехов на частотах 300, 400, 600, 800, 1200 Гц, внедренных на ОАО "Саратовский подшипниковый завод" (г.Саратов) и других предприятиях отрасли за период с 1982 по 2004 гг. Системы электроснабжения строятся на основе преобразовательных модулей с установленной мощностью отдельного агрегата до 200 кВА на общую мощность до 1200 кВА.
Результаты исследований нашли применение при разработке электротехнических комплексов, предназначенных для питания групп асинхронных двигателей на частотах 200 и 300 Гц мощностью от 10 до 40кВА, внедренных в промышленную эксплуатацию на Энгельсской мебельной фабрике (г.Энгельс).
Положения, развитые в работе, явились основой построения двухмодульного преобразователя частоты для электроснабжения испытуемого оборудования в цеховых условиях в режиме непрерывной работы, внедренного на ФГУП "НПП"-"КОНТАКТ" (г.Саратов).
Результаты работы использованы при создании систем электропитания для индукционной плавки, позволившие получить гибкую компоновку электротехнического комплекса двухпостовой плавки (печи ИСТ-0,16/0,32-И 1)
15 в литейном цехе ОАО "Троллейбусный завод" (г.Энгельс) и термообработки заготовок, внедренного на Первом подшипниковом заводе (г.Москва).
5. Основные теоретические положения, модели, алгоритмы и программы использованы в Саратовском государственном техническом университет в учебных курсах "Электропитание ЭВМ", "Технические средства АСУ ТП", "Проектирование АСОИУ", при курсовом и дипломном проектировании и включены в учебные пособия: "Системный анализ гибких электромеханических объектов" и "Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления на основе системного подхода".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на 21 конференции различного уровня с 1984г. по 2004г.: V
Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация новейших
электротехнологических процессов в машиностроении на основе применения
полупроводниковых преобразователей частоты с целью экономии
материальных, трудовых и энергетических ресурсов" (Уфа, 1984), Всесоюзной
научно-технической конференции "Автоматизация электротехнологических
процессов в гибких производственных системах машиностроения на основе
полупроводниковых преобразователей частоты" (Уфа, 1987), IV и V
Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы
преобразовательной техники" (Киев, 1987 и 1991), Всесоюзной научно-
технической конференции "Энергетическая электроника на транспорте"
(Севастополь, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы
энергосбережения в автономной электроэнергетике" (Севастополь, 1991),
Международных научно-технических конференциях "Силовая электроника в
решении проблем ресурсо- и энергосбережения" (Крым, Алушта, 1993, 1996),
Международных научно-технических конференциях "Проблемы и
перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 1997, 2002), IV Международной научно-технической конференции"ипсопуеш.іопа1 Electromechanical And Electrical Systems" (Санкт-
Петербург, 1999), V, VI и VII Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 2000, 2002 и 2004), Международных научно-технических конференциях "Силовая электроника и энергоэффективность" (Крым, Алушта, 2000, 2002 и 2003), Региональной межвузовской научно-практической конференции "Прогрессивные технологии в науке и производстве" (Камышин, 2000), Поволжской научно-практической конференции "Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетия" (Чебоксары, 2001), VII и VIII Международных научно-технических конференцииях "Проблемы современной электротехники" (Киев, 2002 и 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 84 работы, в том числе 1 монография, 2 учебных пособия, получено 21 авторское свидетельство, 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 245 наименований, и приложения. Объем работы составляет 308 страниц текста, 106 рисунков и 9 таблиц.
