Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в электротехнических системах (ЭТС) значительно возросла доля нелинейной нагрузки в виде частотно-регулируемых асинхронных двигателей (ЧР АД) и это связано с прогрессом в производстве силовых преобразователей частоты. При наличии нелинейностей существует широкий диапазон параметров элементов, при которых поведение ЭТС с ЧР АД может оказаться хотя и ограниченным, но непериодическим и случайным, при этом колебания переменных состояния приобретают непредсказуемый, другими словами, хаотический характер и имеют не дискретный спектр, как в периодическом случае, а широкий непрерывный спектр. Помимо этого, поведение ЭТС с ЧР АД оказывается столь чувствительным к начальным условиям, что долговременное прогнозирование точного решения становится невозможным.
В сущности, математическая модель ЭТС с ЧР АД представляет собой детерминированную систему нелинейных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями, решение которой ведет себя непредсказуемым и случайным образом – такой тип решения называется режимом детерминированного хаоса. Таким образом, режимы детерминированного хаоса – это новый тип и особая форма поведения ЭТС с ЧР АД. Кроме того, в режимах детерминированного хаоса диссипация энергии существенно выше и поэтому изучение процесса диссипации энергии в таких режимах ЭТС с ЧР АД представляет интерес.
В последние годы хаотической динамике ЭТС с ЧР АД были посвящены труды таких отечественных авторов как Андерсен Б.Д., Анищенко В.С., Сушков В.В., Разевиг В.Д., Рысев П.В., Федоров В.К. и др. Среди зарубежных авторов весомый вклад в развитее хаотической динамики ЭТС с ЧР АД внесли Lorenz E., Matsumoto T., Wolf A., Yang T., Wang H. и др. Среди диссертационных исследований хотелось бы отметить работы Глазырина А.С., Казанова М.С., Егорова М.С., как наиболее близких к теме диссертации.
В электротехнике режимы детерминированного хаоса по причине своих особенностей
в некоторых случаях могут привести к авариям в электрооборудовании, ложными
срабатываниями устройств релейной защиты, увеличением диссипации энергии и т. д. В
других случаях наоборот использование режимов детерминированного хаоса способствуют
увеличению КПД и уменьшению электромагнитного излучения. Вследствие этого, встает
актуальная задача не только по обнаружению и идентификации режимов
детерминированного хаоса, но и задача по внедрению его в ЭТС с ЧРАД.
Цель работы Разработка математической, имитационной модели и проведение
экспериментальных исследований качества функционирования ЭТС с ЧР АД при
возникновении режимов детерминированного хаоса. Разработка широтно-импульсной
модуляции (ШИМ) с несущей частотой в режиме детерминированного хаоса и проведение экспериментальных исследований качества функционирования ЭТС с ЧР АД.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих конкретных задач:
-
Проведение анализа возникновения хаотических режимов в ЭТС с ЧРАД.
-
Разработка имитационных моделей ЭТС с ЧРАД для исследования режимов детерминированного хаоса.
-
Проведение имитационного моделирования режимов детерминированного хаоса, численного моделирования, спектрального анализа режимов детерминированного хаоса и диссипации энергии в ЭТС с ЧР АД.
-
Проведение имитационного моделирования ШИМ с хаотической и периодической несущей частотой в ЭТС с ЧР АД.
-
Проведение экспериментальных исследований на физических моделях ЭТС с ЧР АД.
-
Исследование качества функционирования ЧР АД в условиях возникновения режимов детерминированного хаоса в электротехнических системах.
Объект и предмет исследования Объектом исследования являются диссипативные ЭТС с ЧР АД. Предметом исследования являются анализ режимов ЭТС с ЧР АД в условиях возникновения детерминированного хаоса и разработка средств повышения качества работы ЧР АД.
Методы исследований
В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные с использованием методов ТОЭ, теории хаотических колебаний, теории автоматизированного электропривода, вычислительной математики, прикладного пакета программ для инженерных и научных расчетов в среде Windows «MATLAB», системы автоматического проектирования «OrCad».
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Рассматриваемая область исследования соответствует паспорту специальности 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы», а именно: п.1 «Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическая, математическая, имитационная и компьютерное моделирование компонентов электрических комплексов и систем»; п.4 «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях».
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы университета
Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического
комитета №77 Международной электротехнической комиссии (МЭК) «Электромагнитная
совместимость электрооборудования, присоединённого к общей электрической сети»;
федеральным законом №261-ФЗ «Об энергосбережении и энергоэффективности»; с научной
хоздоговорной комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надежности
работы электрооборудования в условиях неопределённости исходной информации (раздел
«Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств
электроэнергетических систем») ФГБОУ BO ОмГТУ Гос. регистр. №0651 и «Планов развития научных исследований на 2012-2018гг. ФГБОУ ВО ОмГТУ» (раздел 1.15 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем электроснабжения России»); с планом НИР ОмГТУ, проводимых при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках выполнения государственного контракта №14.В37.21.0332 от 27.07.12 «Разработка математических моделей, алгоритмов, программных и технических средств повышения энергетический эффективности функционирования устройств и систем электроэнергетики».
Таким образом, данная диссертационная работа содержит решение задачи, имеющей важное значение для развития теории электротехнических систем как составной части теории систем электроэнергетики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан и исследован способ формирования широтно-импульсной модуляции с хаотическим изменением несущей частоты.
-
Разработаны математическая и имитационная модель для исследования режимов детерминированного хаоса в ЭТС с ЧР АД, отличающиеся учетом отклонений частоты и отклонений напряжения от номинальных значений и диссипации энергии.
-
Разработана математическая и имитационная модель ЭТС с ЧР АД использующая ШИМ с хаотическим изменением частоты.
-
Установлено, что в ЭТС с ЧР АД амплитудный спектр напряжения (тока) с хаотической несущей частотой ШИМ значительно меньше (до 60%), чем тот же амплитудный спектр с периодической несущей частотой ШИМ.
5. Показано, что в режиме детерминированного хаоса диссипация энергии выше, чем в
периодическом режиме, что приводит к ухудшению энергетических показателей ЭТС с ЧР
АД.
Практическая ценность Практической ценностью работы является разработанный
способ и формирователь ШИМ, позволяющий значительно снизить амплитуды гармоник напряжения и тока, имитационные модели для выявления и анализа свойств режимов детерминированного хаоса напряжений и диссипации энергии в ЭТС с ЧР АД.
Реализация и внедрение результатов работы
1. В научно-производственном центре «Термаль» внедрены:
а) Опытные образцы устройства частотного регулирования асинхронных приводов,
установленные на Омской ТЭЦ-4.
б) Способы управления и стабилизации частотных регуляторов асинхронного
электропривода, исключающие возможность возникновения режимов электромагнитного
резонанса.
2. Разработан и внедрен в учебный процесс лабораторный стенд, моделирующий
хаотические колебания в ЭТС с ЧР АД, позволяющий наглядно продемонстрировать
свойства и особенности хаотических режимов работы нелинейных электрических систем.
3. Зарегистрированы в ОФЭРНиО три программных продукта, обеспечивающих расчет
режимов детерминированного хаоса в ЭТС с ЧР АД.
Личный вклад Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, разработаны и получены автором самостоятельно.
Основные положения выносимые на защиту:
-
Способ формирования и схемное решение построения широтно-импульсного модулятора с хаотическим изменением несущей частоты в ЭТС с ЧР АД.
-
Способ моделирования режимов детерминированного хаоса в ЭТС с ЧР АД.
3. Математическая и имитационная модель ЧР АД с ШИМ с хаотическим изменением
частоты.
4. Результаты исследований основных свойств и особенностей функционирования ЭТС с ЧР
АД в режимах детерминированного хаоса по частоте, напряжению и диссипации энергии.
Достоверность результатов подтверждается корректным применением для
полученных выводов математического аппарата; качественным совпадением и достаточной
сходимостью результатов вычислительных экспериментов; апробацией как
предварительных, так и окончательных результатов диссертационной работы.
Апробация работы Материалы работы докладывались и обсуждались на:
-
XI Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов, машин» - Омск: ОмГТУ, 2017.
-
X Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов, машин» - Омск: ОмГТУ, 2016.
-
Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки» -Тамбов, 2015.
4. Международной научно-практической конференции «Современное общество, образование
и наука» - Тамбов, 2015.
5. IX Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов,
машин» - Омск: ОмГТУ, 2014.
Полнота изложения материалов диссертации в опубликованных работах.
По теме диссертации опубликовано 16 научных работ (из них 7 в периодических издания, рекомендованных ВАК РФ, 1 работа в издании, входящем в международную систему цитирования Scopus), 5 докладов на конференциях, 3 свидетельства о регистрации программных продуктов для ЭВМ.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные выводы по результатам научных исследований, список литературы и приложение. Общий объем составляет: 131 страницу, в том числе 74 рисунка, 5 таблиц, 99 литературных источников.