Введение к работе
Актуальность проблемы. Промышленные предприятия являются одним из основных потребителей электрической энергии. На их долю приходится около 70 X всей производимой в нашей стране электроэнергии. Контрольные замеры в электрических сетях ряда предприятий и последующие расчеты .показали, что только потери в элементах цеховых сетей и электродвигателях достигают 15 - 25 X от потребляемой мощности. В связи с этим проблема экономии электрической энергии! повышения эффективности ее использования, снижение потерь электроэнергии в системах промышленного электроснабжения и электрооборудовании при сохранении качества электроэнергии является важнейшей задачей.
Узловым моментом проблемы экономии электрической энергии, снижения потерь электроэнергии в системах промышленного электроснабжения и электрооборудовании являются вопросы, связанные с регулированием напряжения в сети и на зажимах промышленных приемников электроэнергии.
Лля решения задачи экономии электроэнергии в массовых асинхронных электроприводах и сети наибольшее распространение нашли тиристорные регуляторы напряжения (ТРН) с фазо-импульсным (ФИ) управлением. При массовом использовании таких регуляторов возникает проблема электромагнитной совместимости сети и потребителей электроэнергии, включающая в себя целый комплекс задач.
Одним из способов регулирования электропотребления АД без искажения формы кривых напряжения и тока является дискретное регулирование напряжения путем переключения обмотки АД со схемы треугольник на схему звезда и обратно. Такое регулирование известно достаточно давно и широко применялось в основном для обеспечения пусковых режимов АД в системах электроснабжения ограниченной мощности. Позже переключения звезда - треугольник стали использоваться и для повышения энергетических показателей недогруженных АД. Однако регуляторы звезда - треугольник реализовывались на базе контактных коммутационных аппаратов, что приводило к потере возбуждения и несинхронному включению электрической машины, следствием чего являлись значительные по
величине броски тока и электромагнитного момента. В результате, несмотря на энергетическую эффективность, отсутствие искаженш кривых тока и напряжения, указанный способ регулирована электропотребления АД широкого распространения не нашел.
Развитие бесконтактных коммутационных устройств на основе силовых полупроводниковых приборов, разработка алгоритмов, позволяющих минимизировать переходные процессы при переключения) с одной схемы на другую, рост стоимости электроэнергии, недостаточно высокая энергетическая эффективность и электромагнитная совместимость тиристорных устройств с фазо-импульсньа способом регулирования напряжения, выпуск электротехническо» промышленностью единых серий асинхронных двигателей общего назначения, начиная с серии 4А (4АМ), затем АИ, в которых напряжение 660 В является одним из основных, обусловили новый интерес ^ использованию дискретных регуляторов электропотребления на основе схемных переключений.
Не меньшие возможности имеются и для повышенш энергетических показателей таких распространенных промышленные приемников электроэнергии, как резистивные, индукционно-резистивные и индукционные печи. Здесь переход на дискретные регуляторы на основе внутрисхемных переключений нагревателеі позволяет добиться снижения потерь электроэнергии в сети прі обеспечении достаточно высокого качества регулировали контролируемого параметра (активной мощности, температуры в зоне нагрева, ...).
Дискретные регуляторы, основанные на схемных переключения звезда - треугольник, могут быть испольвованы не только качестве местных, но и в качестве групповых средст регулирования. Так, регулирование электропотребления уэл промышленной нагрузки может быть достигнуто дискретны регулированием напряжения на конденсаторах шунтово-конденсаторной установки (КУ) путем изменения схем подключени конденсаторов КУ к питающей сети. Использование схемны переключений конденсаторов позволяет значительно увеличить числ ступеней регулирования КУ, в результате во столько же ра повышается плавность регулирования реактивной мощности, точност поддержания заданного уровня напряжения в узле промышленно сети, а значит, упрощается решение задачи оптимально
компенсации реактивной мощности, снижения потерь электрической энергии.
Таким образом, в электрических сетях промышленных предприятий имеется большая группа потребителей, которая не требует обязательного плавного регулирования напряжения на своих зажимах для повышения энергетических характеристик. Для таких потребителей целесообразно осуществлять дискретное регулирование напряжения с определенным шагом квантования. Учитывая, что подавляющее число промышленных приемников электроэнергии получают питание от системы трехфазного тока, представляется наиболее целесообразным разрабатывать способы и средства дискретного регулирования переменного напряжения, использующие специфические свойства трехфазной сети, одним из которых 'является свойство дуальности: трехфазная система одновременно может быть охарактеризована трехфазными системами фазных и линейных напряжений, неразрывно связанных между собой и отличающихся друг от друга сдвигом фаз и амплитудными значениями напряжения. Это свойство трехфазной системы принято в качестве исходной предпосылки для разрабатывания дискретных способов регулирования напряжения промышленных приемников электроэнергии, позволяющих минимизировать потери в электрооборудовании и сети при сохранении качества электроэнергии.
На основании вышеизложенного, научно-техническая проблема, обобщению и решению которой посвящена диссертационная работа, состоит в разработке и исследовании способов, и устройств дискретного регулирования напряжения на основе схемных переключений, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии в промышленных приемниках и системе промышленного электроснабжения, имеющей важное народнохозяйственное значение. Диссертационная работа входила в общий комплекс научно-исследовательских раооты, связанных с экономией электрической энергии, возглавляемых МЭИ в соответствии с координационным планом работ по решению научно-технических проблем 0.01.И.03, выполняемой по постановлениям ГК СМ СССР по науке и технике.
Целью работы является построение теории релейного и релейно- импульсного регулирования переменного напряжения и определение рациональных областей применения дискретных способов на »<» основе, позволяющих повысить энергетическую эффективность работы
массовых промышленных приемников и промэлектросети при сохранении качества электроэнергии.
Для достижения указанной цели в данной работе поставлены и решены следую:эде задачи:
разработка теории релейного и релейно-импульсного регулирования напряжения на основе схемных переключений;
разработка обобщенной математической модели системы "ре-лейно-импульсный регулятор - нагрузка";
разработка способов квазинепрерывного релейно-импульсного регулирования переменного напряжения;
разработка статической и динамической моделей системы "промышленная электросеть - релейный регулятор - асинхронный электродвигатель";
разработка методики расчета нелинейных параметров асинхронных короткозамкнутых двигателей общепромышленных механизмов на основе сжатой каталожной информации;
исследование и выбор рациональных параметров управления дискретными энергосберегающими регуляторами с учетом параметров промышленной СЭС;
разработка алгоритмов управления, обеспечивающих ограничение воздействий переходных процессов на систему электроснабжения и электроприемники при схемных переключениях;
- разработка экономически выгодных устройств адаптации к
условию изменяющегося режима работы для массовых приемников
электроэнергии на баге простых релейно-импульсных схем преиму
щественно с тиристорними коммутационными элементами.
Методика проведения исследований. При выполнении работы применен комплекс методов, включающих:
методы теории электрических цепей, вентильных преобразователей, электропривода, теории электромагнитных переходных' процессов, математической теории преобразования уравнений асинхронной машины;
методы аппроксимации функций, прямого преобразования Фурье, операционного метода дифференциальных Тейлоровских преобразований , математического моделирования на ЭВМ;
экспериментальные исследования в лабораторных условиях, а также на действующих промышленных установках.
На защиту выносятся:
теория бестрансфсрматорного квазинепрерывного релейно-импульсного регулирования переменного напряжения на основе свойств трехфазной системы питающих напряжений;
принципы формирования и решения уравнений состояния системы "промышленная электросеть - релейно-импульсный регулятор_ -нагрузка";
методы расчета энергетических показателей релейно-импульсных преоорадогат'-лрй, использующих в качестве уровней квантования амплитуды Фазных, линейных, половины линейных напряжений питающей сети;
принципы Формирования, решения уравнений состояния системы "промышленная электросеть - релейный регулятор - АД" и методы расчета нелинейных параметров асинхронных короткозамкнутых электродвигателей общепромышленных механизмов-с учетом качества напряжения в промышленной сети;
теория и методы расчета квазистатических характеристик массового асинхронного электропривода при варируемых синусоидальном и кусочнссинусоидальном питающих напряжениях;
основы теории переходных процессов в асинхронных электроприводах при схемных переключениях обмоток электродвигателя с учетом параметров систем промышленного электроснабжения;
принципы выбора и методики расчета рациональных параметров управления дискретно регулируемыми асинхронными электродвигателями общепромышленных механизмов с учетом активных потерь в промышленной СЭС от токовой нагрузки оптимизируемых АД;
принципы и алгоритмы регулирования злектропотребления асинхронного электропривода сочетанием дискретного управления на основе схемных переключений с фазо-импульсным управлением;
комплекс разработанных устройств дискретного регулирования напряжения схемными переключениями, обеспечивающих повышение энергетических показателей злектроприемников, снижение активных потерь в промышленной СЭС.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, физического и математического моделирования;
работоспособностью и эффективностью устройств дискретного регулирования электропотребления, созданных на базе разработан-
- в -
ных научных положений, выводов и рекомендаций;
- внедрением основных рекомендаций и выводов.в виде разра
ботанных методик и устройств в ряде организаций и промышленных
предприятий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны и исследованы способы квазинепрерывного релейно- импульсного регулирования переменного напряжения формированием кривой напряжения на нагрузке из синусоидальных напряжений с базовыми амплитудами, задаваемых трехфазной питающей сетью;
разработаны и исследованы способы пофазного релейно-импульсного управления тиристорними регуляторами мощности, улучшающие энергетические показатели резистивных и индукшюнно-резис-тивных ЭТУ;
разработаны и исследованы способы релейного регулирования мощности конденсаторных установок, обеспечивающие минимальные броски тока и высокое быстродействие при переключении конденсаторов с одной схемы соединения на другую;
разработаны и исследованы способы переключения обмоток асинхронных двигателей пофазной коммутацией элекродвигателя при синхронизации ЭДС фазной обмотки с напряжением питающей промышленной электросети; разработанные способы позволяют минимизировать электромагнитные и электромеханические переходные процессы при дискретном регулировании режимами электропотребления АД;
определены рациональные параметры управления дискретными регуляторами электропотребления на основе схемных переключений;
исследованы статические и динамические характеристики массовых асинхронных электроприводов с учетом промышленной электрической сети;
- определены квазистатические характеристики системы
"сеть - регулятор - АД" при релейном и фазо-импульсном способами
управления; выявлены области рационального сочетания релейного и
фазо-импульсного регулирования.
Разработанные способы регулирования напряжения и управления дискретными регуляторами электропотребления характеризуются оригинальностью, новизной и защищены авторскими свидетельствами на изобретение, решениями о выдаче патента.
повышение энергетической эффективности работы системы электроснабжения промпредприятий и массовых промышленных электроприемников, в разработке:
- математических моделей, удобных для исследования и алго
ритмизации расчетов статических и динамических режимов работы
потребителей с дискретными регуляторами напряжения на основе
внутрисхемных переключений;
- методики расчета энергетических показателей релейно-им-
пульсных преобразователей, использующих в качестве базовых уров
ней квантования Фазные и линейные напряжения питающей сети;
методики расчета нелинейных параметров АД с КЗР;
уточненной методики расчета квазистатических режимов системы фазо-импульсный ТРН - АД;
методики расчета статических характеристик и переходных процессов асинхронных электроприводов с дискретными регуляторами на основе схемных переключений;
методик расчета и выбора параметров управления дискретными регуляторами электропотребления асинхронных электроприводов
' общепромышленных механизмов;
рациональных схем управления системами релейно-импульсный ТРН - ЭТУ, релейный ТРН - КБ, релейный ТРН - АД;
новых устройств энергосбережения на основе схемных переключений.
Реализация результатов работы.
Рлжной областью практического использования# полученных в работе результатов по исследованию и разработке дискретных регуляторов напряжения на основе схемных переключений являются асинхронные электропривода общепромышленных механизмов. На основе системы ТГН - АД с дискретным управлением переключением звезда -треугольник осуществлены разработки электроприводов для маховиковых прессов и вентиляторных установок (КАПО, АЗЛК). Выполнены разработки релейно-импульсных регуляторов мощности для активных нагревательных установок, таких как многозонные печи сопротивления закалки, обжига и старения, кубы дисцилляции жирных кислот (КАПО, КХК, ВГЗШС).
Разработаны и внедрены методики и устройства дискретного регулирования реактивной мощностью конденсаторных установок в промсетях 0,4 кВ на основе внутрисхемных переключений (КАПО, Но-
вомосковский ТЗ).
Результаты исследований используются в научном (Технический университет Ильменау, ФРГ) и учебном процессах Московского энергетического института и его Казанской филиале (в учебно-исследовательской работе студентов, при курсовом и дипломном проектировании, в курсах основы электроснабжения, основы преобразовательной техники).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: Всесоюзной научной конференции "Пути экономии и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта" (г. Казань, 1984 г.), республиканском научно-техническом семинаре "Опыт работы предприятий и объединений по экономии электрической и тепловой энергии" (г. Казань, 1984г.), VI Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электроэнергетического, электротехнологического и радиоэлектронного оборудования (г. Москва, 1985 г.), VIII, X и XII сессиях Всесоюзного семинара АН СССР "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий" (г. Новочеркасск, 1986, 1988 гг., г. Гомель, 1991 г.), Всесоюзной научно-технической конференции с участием специалистов стран -участниц Интерэлектро "Конденсаторы и конденсаторные установки для повышения коэффициента мощности и напряжения" (г. Серпухов, 1986 г.), III Всесоюзной научно-технической конференции (г.Иваново, 1987 г.), Всесоюзной научно-технической конференции с международным участием "Современные проблемы электромеханики (К 100-летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя)" (г. Москва, 1989 г.), республиканской научной конференции "Методы и средства управления электропотреблением" (г. Киев, 1990 г.), научно-технической конференции "Повышение эффективности электроснабжения на промышленных предприятиях" (г. Челябинск. 1990г.), республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности электроснабжения промышленных предприятий" (г. Казань. 1990 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества электроснабжения" (г.- Мариуполь ,1990 г.). Всесоюзной научно-технической конференции 'Тазработка методов и средств экономии элекроэнергии в электрических системах и
системах электроснабжения промышленности и транспорта" (г. Днепропетровск, 1990г.), научно-практической конференции "Региональные проблемы повышения качества и экономии электроэнергии" (г. Астрахань, 1991 г.), VI научно-технической конференции "Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий" (.г. Челябинск, 1991 г.), У. научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (г. Каунас, 1991 г.), 37 Меддународном научном коллоквиуме (37th International Scientific Colloquium of Technlsche Hochschule Ilmenau) ВТШ Ильменау (Германия, 1992); научных семинарах кафедр ЭПП и АЭП МЭИ (1986 -.1992 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 40 статей и докладов, получено 51 авторских свидетельств и 23 решения о выдаче авторских свидетельств и патентов по заявкам на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит иа введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 430 страниц, в том числе 101 рисунок, 10 таблиц, список литературы из 191 наименований и приложения на н страницах.
