Введение к работе
Актуальность темы. Проблема электромагнитной совместимости ОМС) возникла в тридцатые годы в связи с необходимостью ведения борьбы с радиопомехами в "переполненном эфире". В 1975 году в Мюнхене на генеральной сессии Международной электротехнической комиссии был создан технический комитет № 77 "Электромагнитная совместимость электрооборудования, включая сети" для подготовки международных рекомендаций по проблеме ЭМС электрического и электронного оборудования. Это направление охватило вопросы генерирования помех, защиты от них, восприимчивости к помехам, разработки приборов и методов для их измерения и другие. В семидесятые годы такие задачи стали решаться при проектировании автономных электроэнергетических систем (АЭЭС). Эти системы характеризуются соизмеримостью и ограниченностью мощности генераторов и нагрузки, сравнительно небольшой протяженностью распределительных сетей, значительной долей нагрузок, питающихся от полупроводниковых преобразователей. К АЭЭС с указанными свойствами относятся транспортные установки (судовые, корабельные, летательных аппаратов, железнодорожные и т. д.), заводские, цеховые, сельскохозяйственные и другие электроэнергетические системы. Указанная специфика АЭЭС выделяет задачи проектирования систем фильтрации и компенсации помех из общей совокупности проблем разработки автономных сетей электроснабжения, требует теоретического обоснования методов проектирования ЭМС, направленных на решение проблемы электромагнитной совместимости оборудования на всех этапах планирования АЭЭС.
Существующие методы расчета энергетических фильтров относятся к классу частных стратегий проектирования, имеют линейную или циклическую организацию проектных процедур, могут применяться только на завершающем этапе создания АЭЭС — этапе отработки скомпанованной энергосистемы. Они не приспособлены для решения задач оптимального проектирования систем подавления помех в АЭЭС переменной структуры и не ориентированы на современные информационные технологии, реализуемые в САПР и АСНИ.
Поэтому разработка методов математического моделирования сложных систем генерирования, распределения и преобразования электрической энергии, анализа частотных характеристик таких систем и синтеза оптимальных параметров энергетических фильтров является важной, актуальной научно-технической проблемой.
Цель работы: теоретическое обобщение, исследование известных и разработка новых методов математического моделирования и проектирования систем повышения качества электрической энергии в АЭЭС на основе пассивных, активных и комбинированных энергетических фильтров, разработка принципов организации интегрированной системы проектирования, обеспечивающей реализацию методов моделирования, анализа и синтеза ЭМС в автоматизированном режиме, определение путей и средств эффективного использования возможностей систем автоматизированного проектирования на всех этапах решения проблемы электромагнитной совместимости элементов АЭЭС.
Методы исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на общей теории сложных систем, теории математического программирования, теории математического моделирования, схемотехнике, теоретических основах электротехники, теории построения экспертных систем, численном анализе, а также на накопленном опыте и результатах в областях проектирования энергетических фильтров для автономных систем электропитания и разработки систем автоматизированного проектирования и испытаний преобразователей вида и параметров электрической энергии при выполнении исследовательских работ на базе кафедры САПР Мордовского госуниверситета, ряда промышленных и научно-исследовательских предприятий: НПО Силовой электроники, АО "Электровыпрямитель", ПО ГАЗ, ПО Энергетики и электрификации "Мордовэнерго" и др.
Научная новизна. Основные научные результаты, выдвинутые на защиту, состоят в том, что исследованы и разработаны:
1) методология проектирования энергетических фильтров и систем управления качеством электрической энергии на их основе, которая включает следующие основные этапы:
— автоматическое получение полной математической модели
исходной системы генерирования, распределения и преобразования
электрической энергии;
анализ частотных характеристик в узлах АЭЭС и вычисление матрицы показателей качества электрической энергии (матрицы ПКЭ);
сравнение полученных результатов с матрицей ПКЭ, заданной в технических условиях на проектирование АЭЭС;
при необходимости экспертное определение типов энергетических фильтров и мест их установки в АЭЭС;
параметрический синтез энергетических фильтров по задан-
ным алгебраическим критериям оптимизации в пространстве проектирования, ограниченном известными выходными параметрами устройств;
генерация полной математической модели АЭЭС с доопределенной преобразовательной системой (ПС);
анализ частотных характеристик и вычисление новой матрицы ПКЭ;
повторение пяти предыдущих этапов до обнаружения эталонной матрицы ПКЭ;
-
теоретические основы математического моделирования сложных преобразовательных систем переменной структуры;
-
методы численного анализа частотных характеристик АЭЭС относительно узлов подключения ПС и параметрического синтеза энергетических фильтров;
-
алгебраические критерии оптимизации пассивных и активных энергетических фильтров;
-
внешний проект интегрированной системы автоматизированного проектирования энергетических фильтров;
-
методика построения программно-аппаратного комплекса исследований и испытаний энергетических фильтров.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты теоретических исследований легли в основу конкретных программных и аппаратных реализаций:
1) разработан метод математического моделирования и анализа
3-х фазных преобразовательных систем, основанный на специаль
ных правилах структурного исследования сложных каскадно-мос-
товых преобразователей, понятиях М-элемснт и М-система, особом
алгоритме моделирования ПС, линейных преобразованиях коорди
нат и быстрых преобразованиях Фурье.
Метод реализован в виде пакета программ математического моделирования и анализа автономных преобразовательных систем переменной структуры и был использован:
при разработке преобразователей электрической энергии серии ТПС;
при создании программно-аппаратного комплекса автоматизации испытаний преобразовательных устройств;
при разработке автоматизированной системы коммерческого учета потерь электрической энергии в сетях объединения "Мордо-взнерго";
2) разработаны методы и модели парамстричесхой оптимизации
энергетических фильтров, которые легли в основу построения па
кетов программ:
параметрической оптимизации (принят для тиражирования СФАП НИИВО);
параметрической оптимизации энергетических фильтров;
3) разработана методология функционального проектирования
энергетических фильтров ("спектральная стратегия"), основанназ на анализе частотных характеристик системы электроснабжения і помощью ее полной математической модели и параметрическоь синтезе комплекса средств фильтрации и компенсации "паразкт ной" энергии на базе упрощенных моделей АЭЭС. ,
Методы, реализованные в виде пакетов прикладных программ находящихся под управлением системной оболочки, обеспечиваю щей функционирование спектральной стратегии проектирована энергетических фильтров, были использованы:
— для разработки судовых фильтро-компенсирующих устройсті
при вариантном проектировании АЭЭС;
— при сравнительном анализе средств подавления помех і
заводских энергосистемах, подключенных к электрическим сетяк
республиканского значения;
4) разработан принцип построения интегрированное САПР ЭМС, который обусловил создание следующих автоматизи рованных систем:
системы автоматизированного проектирования энергетических фильтров (САПР-ЭФ);
системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР-ТП);
автоматизированной системы научных исследований и испытаний энергетических фильтров (АСИ-ЭФ).
Предложенные методы математического моделирования и анализа преобразовательных систем, синтеза устройств повышенш качества электрической энергии в АЭЭС, а также принципы построения эффективных систем проектирования на их основе, могут быть полезны широкому кругу проектировщиков и исследователей для практического решения соответствующих задач.
Реализация результатов работы заключается в создании и внедрении под руководством и при непосредственном участии автора:
-
программ математического моделирования автономных энергосистем с вентильными преобразователями, параметрической оптимизации энергетических фильтров и анализа показателей качества электрической энергии для предприятия АС "Электровыпрямитель";
-
программного обеспечения АРМ технолога на базе микро-ЭВМ "Электроника-60" для АО "Электровыпрямитель";
-
интегрированной системы автоматизированного проектирования ЭМС автономных ПС и комплекса программно-аппаратных средств автоматизации измерений и испытаний энергетических фильтров- АСИ-ЭФ для НПО Силовой электроники;
-
автоматизированной системы коммерческого учета потребления электрической энергии на базе аппаратуры ЦТ-5000 для ПО Энергетики и электрификации "Мордовэнерго";
-
системы автоматизированного проектирования технологиче-
ских процессов (САПР-ТП) для предприятий АО "Электровыпрямитель", АО "Станкостроитель", ПО ГАЗ;
6) аппаратных и программных средств, разработанных в процессе проведения НИР кафедрой САПР Мордовского госуниверси-гета им. Н. П. Огарева с 1981 г. по 1992 г., что нашло отражение в отчетах по НИР: N гос. регистр. 01824024690, 01860086214, 0184004291.5, 01860117462, 01860086214, 01850050508, 01860217532 и др., выполненным по комплексным программам Минвуза РСФСР, ГК НВШ РСФСР и Головного совета по автоматизации проектирования Минвуза РСФСР.
Результаты диссертационной работы широко используются в учебном процессе кафедры САПР Мордовского госуниверситета для лабораторных и практических занятий по курсам "Основы САПР", " САПР устройств промышленной электроники", "Математические модели в расчетах на ЭВМ", "Математическое и программное обеспечение САПР", "Математическое и программное обеспечение АРМ" и в соответствующих методических разработках: "Лабораторный практикум по курсу "Основы САПР и технического творчества", 1986 г.; "Лабораторный практикум по курсу "Численные методы решения задач строительства на ЭВМ", 1986 г.; "Математическое моделирование технических устройств в САПР'', 1987 г.; "Учебно-исследовательская система автоматизированного проектирования: подсистемы моделирования и оптимизации", 1988 г.; "Математические модели в расчетах на ЭВМ", 1992 г.; "Лабораторный практикум по курсу "Математические модели в расчетах на ЭВМ", 1993 г.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуж-цались на Всесоюзном научно-техническом семинаре " Применение ЭВМ для анализа и проектирования вентильных преобразователей" (Саратов, 1977 г.), IV Республиканском научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Одесса, 1979 г.), Всесоюзном совещании-семинаре "Р-технология программирования и средства ее поддержки на машинах БЭСМ-6, ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ" (Киев, 1980 г.), VI научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Саранск, 1981 г.), VIII научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Куйбышев, 1984 г.), X научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Иваново, 1986), V региональный НТК "Оптимизация учебного процесса" (Горький, 1986 г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Применение вычислительной техники для исследования и автоматизации проектирования преобразователей" (Саранск, 1987 г.), II Всесоюзном совещании "Улучшение электромагнитной совместимости электрических полупроводниковых
преобразователей как средство экономии материальных и энергетических ресурсов" (Москва, 1987 г.), НТК "Долговечность и эксплуатационная надежность материалов, элементов, изделий и конструкций" (Саранск, 1987 г.), совместном XII научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" и научном семинаре "Методы комплексной оптимизации установок по преобразованию тепловой и атомной энергии в электрическую" (Иваново, 1988 г.), XIII научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Иваново, 1989 г.), НТК "Эффективность использования машиностроительного оборудования" (Саранск, 1991 г.), Международной НТК "Проблемы графической технологии" (Севастополь, 1991 г.), и других всесоюзных, республиканских и отраслевых конференциях, совещаниях, семинарах (всего 29), а также на НТК профессорско-преподавательского состава Мордовского государственного университета с 1981 по 1993 гг.
Публикации. К основным публикациям по теме диссертации относятся 49 работ, из которых одна монография объемом 340 с, 9 учебно-методических вузовских пособий и лабораторных практикумов, 1 статья в центральном журнале, 23 статьи в межвузовских, межотраслевых изданиях и тезисах докладов на международных, всесоюзных и республиканских конференциях, совещаниях и семинарах, 11 депонированных во ВНТИЦ научно-технических отчетов, 3 информационных листка, один пакет программ, зарегистрированный в ОФАП.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 105 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 310 страницах машинописного текста. Работа содержит 76 рисунков, 4 таблицы.
