Инновационные перспективы Донбасса. Том 2, 2019 г.

ББК 65.30 УДК 330.341 (477.61/62)

И 66

Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 21-23 мая 2019 г. – Донецк: ДонНТУ, 2019. Т. 2: 2. Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. – 2019. – 200 с.

Представлены материалы 5-й Международной научно-практической конференции “Инновационные перспективы Донбасса”, состоявшейся 21-23 мая 2019 г. в Донецке на базе Донецкого национального технического университета, включающие доклады ученых и специалистов по вопросам приоритетных направлений научно-технического обеспечения инновационного развития Донбасса и формирования механизмов повышения социально-экономической эффективности развития региона. Материалы предназначены для специалистов народного хозяйства, ученых, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

Редакционная коллегия Министр образования и науки ДНР Е. В. Горохов, ректор ДонНТУ А. Я. Аноприенко, д-р пед. наук Г. А. Сорокина, канд. наук по гос. упр. А. Е. Пожидаев, д-р техн. наук Г. Г. Литвинский, д-р техн. наук С. В. Борщевский, д-р техн. наук Э. Г. Куренный, д-р техн. наук С. П. Еронько, канд. техн. наук С.В. Горбатко, д-р экон. наук Я. В. Хоменко, д-р экон. наук И.В. Филатова, председатель Совета молодых ученых ДонНТУ Е. С. Дубинка.

Рекомендовано к печати ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Министерства образования и науки ДНР. Протокол № __ от __ _______ 20__ г. Контактный адрес редакции НИЧ ДонНТУ, ул. Артема, 58, Донецк, 283001 Тел.: +380 (62) 305-35-67. Эл. почта: ipd.donntu.org@gmail.com Интернет: http://ipd.donntu.org

© ГОУВПО “Донецкий национальный технический университет” Министерство образования и науки ДНР, 2019

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.Н. Ткаченко, А.В. Коваленко, В.А. Киселев Совершенствование системы защиты и прогноза срока службы низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором ....6 С.В. Деркачёв Построение измерительных органов микропроцессорных устройств быстродействующего автоматического включения резерва ............... 13 А.Н. Качанов, В.А. Тимохин, Е.А. Миронов Индукционная закалка крупногабаритных валков прокатных станов 17 В.Г. Черников, А.А. Чепига Методы увеличения выработки мощности фотоэлектрических модулей...................................................................................................... 23 И. А. Бершадский, А. В. Згарбул, Е.Я. Наглюк Расчет нестационарного нагрева электропроводки 0,4 кВ .................. 31 А.А. Брухаль, В.Г. Черников Математическая модель поведения скорости ветра для компьютерного и физического моделирования работы ветроустановок....................... 37 И.А. Кулененок, В.Я. Горин, Н.Н. Давидсон Новый подход при проектировании больших переходов воздушных ЛЭП через водные пространства ............................................................ 41 И.И. Ларина, Т.В. Зайнутдинова К вопросу о целесообразности использования одного сечения провода в замкнутых сетях 110 кВ ......................................................... 46 А.А. Булгаков, Е.А. Иванова, В.В. Зинченко Методы имитации случайных процессов изменения параметров режима систем электроснабжения ......................................................... 50 С.А. Гришанов, Д.А. Свищенков Использование метода экспресс-оценки допустимости асинхронного режима в двухмашинной электрической системе ................................ 56

3

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

О.Е. Новикова, А.В. Лавшонок Совершенствование системы управления тиристорного регулятора напряжения ............................................................................................... 66 А.М. Ларин, Ю.В. Зудихин, Н.О. Лаврищев Исследование несинхронных АПВ турбогенератора типа ТГВ-300 .. 72 А.М. Ларин, Ю.В. Зудихин Оценка эффективности применения НАПВ для восстановления параллельной работы отдельных частей электрических систем ........ 80 А. А. Шиянов, А. А. Назим, Д. Н. Мирошник Разработка лабораторного стенда тиристорного преобразователя постоянного напряжения с цифровой системой управления на базе микроконтроллера STM32F407VET....................................................... 88 А.Ю. Ишутин, А.Н. Минтус Исследование особенностей работы электропривода переменного тока при ограниченной мощности источника генерации .................... 94 Е.В. Басалыгин, В.В. Гринь, П.И. Розкаряка, Д.В. Бажутин Разработка электромеханического протеза человеческой руки ........ 100 Е.Ю. Балабанов, А.В. Светличный Анализ энергетических режимов электроприводов переменного тока с питанием от преобразователей частоты ................................... 108 Е.А. Бондаренко, Д.Н. Мирошник Реализация системы автоподстройки частоты напряжения сети на базе STM32F4.................................................................................................. 116 Д.О. Петренко, А.А. Шиянов, Е.А. Бондаренко, Д.Н. Мирошник Разработка силовых некомплектных индукционных элементов ...... 122 В.Г. Машкович, Д.В. Бажутин Определение параметров линейных моделей объектов с распределенными параметрами с помощью генетических алгоритмов ...................................................................... 131 Д.П. Свиридов, Д.Н. Мирошник Модель радиоуправляемого электромобиля на базе двухдвигательного заднего электропривода ......................................................................... 138

4

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В.Ф. Борисенко, В.А. Сидоров, А.И. Землянский Анализ текущего состояния взаимосвязанных электромеханических систем среднесортного стана ................................................................ 142 Д.О. Петренко, А.В. Левшов Разработка устройства для измерения параметров электрической цепи постоянного тока на примере солнечного фотоэлектрического преобразователя...................................................................................... 152 А.В. Адарченко, П.И. Розкаряка Сравнительный анализ системы управления с модальным регулятором и трёхконтурной системы подчиненного регулирования .................. 159 В.В. Нечепоренко, Э.Г. Куренный Влияние колебаний напряжения на синхронный двигатель ............. 166 В.С. Гармаш, Д.А. Дудниченко Исследование режимов короткого замыкания в автономных энергетических системах ....................................................................... 170 С.Н. Ткаченко, А.В. Коваленко, Е.Е. Корытченкова К вопросу моделирования режимов работы микрогрид-систем с возобновляемыми источниками энергии и водородными топливными элементами ....................................................................... 176 В.А. Павлюков, А.В. Коваленко, М.А. Тельная Исследование режимов самозапуска электродвигателей в связи с реконструкцией энергоблока ТЭС ....................................................... 184 А.В. Светличный, Р.С. Левченко Определение длины раската по параметрам работы главного привода .................................................................................... 190 Д.М. Тищенко, П.И. Розкаряка Система управления электропривода с косвенным определением скорости................................................................................................... 195

5

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.313

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ И ПРОГНОЗА СРОКА СЛУЖБЫ НИЗКОВОЛЬТНЫХ АСИНХРОННЫХ МАШИН С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ С.Н. Ткаченко, А.В. Коваленко, В.А. Киселёв ГОУВПО «Донецкий Национальный Технический Университет» Работа посвящена совершенствованию системы защиты и прогноза срока службы низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Предложена система защиты и прогноза срока службы, основанная на усовершенствованном алгоритме определения эквивалентной температуры нагрева машины по данным определения входного активного сопротивления прямой последовательности в холодном и горячем состояниях на основе контроля в масштабе реального времени параметров текущего режима. Работоспособность предложенной системы защиты и прогноза проверена на ПЭВМ с использованием методов математического моделирования для асинхронного двигателя мощностью 75 кВт и напряжением статора 0,4 кВ. Ключевые слова: система защиты и прогноза срока службы, асинхронные машины, короткозамкнутый ротор, эквивалентная температура нагрева, входное активное сопротивление прямой последовательности, параметры текущего режима.

The work is devoted to improvement of protection and the prediction of the service life system of low-voltage induction machines with a caged rotor. The proposed system of protection and prediction of service life, based on an improved algorithm for determining the equivalent heating temperature of machine according to determination of positive phase sequence input resistance in the cold and hot conditions based on real time monitoring of current condition parameters. The efficiency of the proposed protection and forecast system was testing on a PC using mathematical simulation methods for an induction motor with a power of 75 kW and a stator voltage of 0.4 kV. Keywords: system of protection and prediction of service life, induction machines, caged rotor, equivalent heating temperature, positive phase sequence input resistance, current condition parameters. Постановка задачи. Асинхронные машины (АМ) с короткозамкнутым ротором (КЗР) напряжением статора до 1 кВ являются основным видом электроприводных машин переменного тока. АМ с КЗР

6

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

в настоящее время применяются как в современных ветровых энергетических установках, в электротранспорте, в качестве привода механизмов различных промышленных предприятий, а также системы собственных нужд тепловых и атомных электрических станций. Несмотря на весомые преимущества по сравнению другими типами электрических машин, как например лёгкостью эксплуатации и простотой конструктивного исполнения, повреждаемость АМ с КЗР составляет порядка 30% за один год от общего количества находящихся в эксплуатации машин [1-6]. Количество повреждённых АМ с КЗР возможно сократить путём дальнейшего совершенствования алгоритмов релейной защиты и автоматики, а также внедрения систем прогноза срока службы в масштабе реального времени. Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод об актуальности дальнейшего совершенствования системы защиты и прогноза срока службы низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Анализ публикаций. В настоящее время присутствует достаточно большое количество научных работ, посвящённых совершенствованию цифровых систем релейной защиты и автоматики (РЗиА) асинхронных машин с короткозамкнутым ротором, включающих как защиты от сверхтоков, защиты от перегрузки током статора и тепловых защит (ТЗ) [1-6]. В [2-4] представлены защиты от перегрузки, основанные на псевдотепловых моделях, основным недостатком которых является некорректная работа при несимметрии питающего напряжения, работе в смешанном режиме и др. Наиболее перспективные алгоритмы ТЗ, основанные на контроле параметров текущего режима, которые возможно использовать в качестве базисных для построения системы защиты и прогноза срока службы, представлены в [5-7]. Однако вышеуказанные защиты, требуют дальнейшего совершенствования для их применения для низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Результаты исследований. В систему защиты и прогнозирования срока службы низковольтных АМ с КЗР в базовой конфигурации должны входить: • цифровая токовая отсечка (ТО) мгновенного действия для защиты от сверхтоков или токов короткого замыкания; • цифровая защита от перегрузки (ЗП) током статора; • двухступенчатая ТЗ на основе косвенного определения эквивалентной температуры нагрева машины по данным измерения параметров текущего режима; • модуль определения срока службы асинхронной машины на основе косвенного контроля эквивалентной температуры нагрева.

7

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для реализации цифровых классических ТО и ЗП, рекомендуемых ПУЭ и IEEE, будем использовать стандартные алгоритмы, приведенные в [1]. В качестве базисного алгоритма ТЗ низковольтных АМ с КЗР будем использовать алгоритм, изложенный в [6]. Определение эквивалентной температуры нагрева АМ с КЗР в вышеуказанной тепловой защите осуществляется путём сравнения входного активного сопротивления прямой последовательности (ПП), измеряемого в горячем состоянии со значением входного активного сопротивления в холодном состоянии для текущего значения скольжения. Входное активное сопротивление ПП определяется по данным измерения мгновенных значений фазных токов (ia, ib, ic), фазных напряжений (ua, ub, uc), а также скольжения s. В данной работе для сглаживания (фильтрации) бросков рассчитываемой эквивалентной температуры машины будем производить усреднение на определённом интервале времени входного активного сопротивления ПП, а также значения температуры. Как и в [6], для построения алгоритма ТЗ будем использовать одноконтурную эквивалентную схему замещения (ЭСЗ) ПП АМ с контуром потерь в стали статора и учётом скин-эффекта, показанную на рис.1. Все вычисления будем выполнять в системе относительных единиц (о.е.).

Рис. 1 – Одноконтурная ЭСЗ АМ с КЗР прямой последовательности с контуром потерь в стали статора и учётом вытеснения тока в обмотке короткозамкнутого ротора Аналогично [6], параметры избранной ЭСЗ АМ с КЗР (RS, XσS, Xµ , RFE, XσFE, RRs =1 , X σsR=1 , RRs , X σsR ) будем определять с использованием метода, изложенного в [7]. Учёт вытеснения тока в данной ЭСЗ будем учитывать упрощённо с помощью линейных зависимостей (1).

HOM

HOM

8

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

RR ( s) = RRsHOM + ( RRs =1 − RRsHOM ) ⋅ ( s − sHOM ) ⋅ s −1 ,

(1)

X σ R ( s ) = X σs =R1 + ( X σsHOM − X σs =R1 ) ⋅ (1 − s), R

где RRs =1 и X σs =R1 – активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния при скольжении равном s = 1; RRsHOM и X σsHOM – активное соR противление и индуктивное сопротивление рассеяния при номинальном скольжении sНОМ; Последовательность вычислительных операций определения эквивалентной температуры нагрева, производимых на каждом шаге работы микроконтроллера, представлена в виде блок-схемы на рис.2. Определяя на каждом шаге работы микроконтроллера значение эквивалентной температуры нагрева машины предоставляется возможным прогнозировать срок службы. Для этого будем использовать методику, предложенную в [7], и базирующуюся на уравнении вычисления срока эксплуатации T2 (2).

T2 = T1 ⋅ e

 E   1 1 −  − a ⋅   R VMAX + 273 VАЭД + 273  

,

(2)

где Т1 – полный срок службы АЭМ при допустимой температуре нагрева, годы; VМAX – предельно допустимое значение температуры нагрева изоляции согласно ГОСТ 8865-93; 0С; Еа – энергия активации процессов химического взаимодействия, Дж / моль; R = 8,317 Дж/(0K·моль) – универсальная газовая постоянная. Корректная работа предложенной усовершенствованной тепловой защиты АМ проверена на ПЭВМ на математической модели [8], основанной на полых дифференциальных уравнениях, с использованием методов математического моделирования на примере АЭД с КЗР типа VEM IE3-W41R 280 S2, каталожные данные которого представлены в табл. 1. Параметры схемы замещения двигателя были определены на основе данных каталога, по методике, изложенной в [8], и представлены в табл. 2.

0,945 9

1,9

2,8

8,1

sНОМ

IП/IНОМ

0,89

MМАКС/ МНОМ

128

MП/МНОМ

cosφНОМ

0,38

ηНОМ

IНОМ, A

75

UНОМ, кВ

PНОМ, кВт

Таблица 1 – Каталожные данные АЭД с КЗР типа VEM IE3-W41R 280 S2

0,005

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 2 – Параметры схемы замещения АЭД с КЗР типа VEM IE3-W41R 280 S2 RRS =1 X σSR=1 RRs X σsR RS XσS Xµ RFE XσFE 0,028 0,062 3,524 14,84 28,33 0,025 0,051 0,005 0,117 HOM

HOM

I S.2 = 0,5 ⋅ (iα + iβ .n ) 2 + (iα .n − iβ ) 2 ,

I S.1 = 0,5 ⋅ (iα − iβ .n ) 2 + (iα .n + iβ ) 2 ,

(uα − uβ .n ) ⋅ (iα − iβ .n ) (uα .n + uβ ) ⋅ (iα .n + iβ ) + ; 4 4 uβ = (ub − uc ) / 3,

U S.1 = 0,5 ⋅ (uα − uβ n ) 2 + (uα .n + uβ ) 2 , P1 = iβ = (ib − ic ) / 3,

гор RВХ .1 ( s ) =

гор RВХ .1.CP =

P1

I S2.1

,

1 m гор 2 ⋅ ∑ ( RВХ .1 ) ; m 1

исх RВХ .1 (s) = RW + RS +

AR , AR + BR

2

 RR (s) ⋅ s R 1    RR (s) ⋅ s−1 R + 2 FE 2 + AR =  + 2 FE 2  ,BR =   .

2 −2 2 2 −2 2  RR (s) ⋅ s + Хσ R (s) RFE + Хσ FE   RR (s) ⋅ s + Хσ R (s) RFE + Хσ FE Х µ  −1

2

VАЭД =

гор исх RВХ нач нач .1 ( s ) − RВХ .1 ( s ) ⋅ (235 + VАЭД ) + VАЭД исх RВХ ( s ) .1

Рис. 2 – Блок-схема усовершенствованного алгоритма определения эквивалентной температуры нагрева АМ с КЗР

10

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В качестве примера был промоделирован режим нормальной работы под нагрузкой и последующее увеличение или наброс нагрузки на валу машины при наличии несимметрии напряжения в фазах «В» и «С» для АЭД с КЗР типа VEM IE3-W41R 280 S2. Корректная работа разработанной системы защиты и прогноза срока службы проверялась по факту сравнения величины эквивалентной температуры нагрева АЭД (VАЭД), определённой по алгоритму (см. рис. 2) с величиной температуры, определённой по заданному заранее закону (VАЭД*), аналогично [6,7]. Зависимости от времени (t) тока статора фазы «а» (ia),тока прямой последовательности (IS.1), угловой частоты вращения ротора (ω), эквивалентной температуры нагрева (VАЭД) и тока обратной последовательности (IS.2) для АЭД с КЗР типа VEM IE3-W41R 280 S2 представлены на рис.3.

6

1,2

ω, о.е.

ia, I1, о.е.

3,6

0,96

I1

ia

1,2

0,72

1,2

0,48

3,6

0,24

t, c

t, c 6

0 0

2,4

4,8

7,2

9,6

12

0

2,4

4,8

7,2

9,6

2,4

4,8

7,2

9,6

12

0,5

300

0

VАЭД, C

I2, о.е.

0,4

240

VАЭД*

0,3

180

VАЭД 120

0,2

60

0,1

0

t, c

t, c 0

2,4

4,8

7,2

9,6

0 12

0

12

Рис.3 – Зависимости от времени (t) тока статора фазы «а» (ia),тока прямой последовательности (IS.1),угловой частоты вращения ротора (ω), эквивалентной температуры нагрева (VАЭД) и тока обратной последовательности (IS.2) для АЭД с КЗР типа VEM IE3-W41R 280 S2 Из рис. 3 видно, что эквивалентная температура (VАЭД), рассчитанная по предложенному алгоритму ТЗ, корректно отрабатывает заданный закон (VАЭД*), что подтверждает корректную работу усовершенствованная тепловой защиты АМ с КЗР при наличии несимметрии питающего напряжения. Аналогично [5], защиту ТЗ АМ с КЗР будем позиционировать,

11

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

как двухступенчатую (первая ступень: мгновенное срабатывание с действием на сигнал, вторая ступень: срабатывание по истечении выдержки времени с последующим запуском команды на отключение машины от питающей сети). Выводы 1. Предложена усовершенствованная система защиты и прогноза срока службы низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором.

2. Предложено для повышения точности косвенного определения эквивалентной температуры нагрева машины по данным измерения параметров текущего режима усреднять входное сопротивление прямой последовательности.

3. Работоспособность предложенной системы защиты и прогноза срока службы проверена на ПЭВМ с использованием методов математического моделирования для асинхронного двигателя мощностью 75 кВт и напряжением статора 0,4 кВ.

Перечень ссылок 1. Соловьев А.Л. Защита асинхронных электрических двигателей напряжением 0,4 кВ / А.Л. Соловьев // библиотечка электротехника, приложение к журналу «Энергетик». – Вып. 3 (99). – М.НТФ «Энергопрогресс», – 2007. – 96 с.; 2. Гусаров А.А. Определение температуры элементов тепловой схемы замещения асинхронного двигателя для разработки теплового реле и диагностики / А.А. Гусаров, Е.Б. Ковалёв // Сборник научных трудов УкрВНИИВЭ. Серия «Взрывозащищённое оборудование». –2009. – С. 155-161.

3. Zocholl S.E. On the protection of thermal processes power delivery / S.E. Zocholl, G. Benmouyal // IEEE Transactions on Vol.20, Issue 2 – 2005. – P.: 1240-1246; 4. Whatley, P. Enhanced motor protection with the slip-dependent thermal model: a case study / P. Whatley, M. Lanier, L. Underwood, S. Zocholl // Protective Relay Engineers, 61st Annual Conference. – 2008. – P. 204-214; 5. Gao, Z. Model reduction perspective on thermal models for induction machine overload relays / Z. Gao, R.S. Colby, T.G. Habetler, R.G. Harley // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2008. – Vol. 55. – Issue: 10. – P. 3525-3534; 6. Ткаченко С.Н. Совершенствование тепловой защиты низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором / С.Н. Ткаченко, А.В. Коваленко, В.А. Киселёв // Материалы 4-й международной научно-практической конференции. Том 2. Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. – 2018. – C. 80-86.

7. Ткаченко С.Н. Прогнозирование срока службы асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на основе контроля параметров текущего режима / С.Н. Ткаченко – Завалишинские чтения'16, ГУАП, г. СПб, №4. – 2016. – С.246-249.

8. Ткаченко С.Н. Метод идентификации параметров эквивалентных схем замещения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором / Ткаченко С.Н. // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 1 (16). – Донецьк, 2014. – С. 210-215.

12

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316.925:681.3

ПОСТРОЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВА С.В. Деркачёв ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Разработан способ определения ортогональных составляющих измеряемых сигналов тока и напряжения для повышения быстродействия и помехоустойчивости цифровых измерительных органов в устройствах быстродействующего автоматического включения резерва. Ключевые слова: ортогональные составляющие, цифровые измерительные органы.

A method for determining orthogonal components of the measured current and voltage signals to improve performance and noise immunity of digital measuring devices fast automatic transfer switch is developed.

Keywords: orthogonal components, digital measuring elements. На сегодняшний день в связи с развитием микропроцессорной элементной базы в электрических системах происходит замена морально устаревших электромеханических устройств релейной защиты и автоматики на современные микропроцессорные устройства, что позволяет повысить надежность электроснабжения и понизить эксплуатационные затраты на обслуживание. Известные подходы к построению алгоритмов работы измерительных органов тока и напряжения, в основе которых лежат методы, основанные на разложении входного сигнала с применением интеграла Фурье [1, 2] не позволяют обеспечить высокие уровень быстродействия, хотя и выполняют частотную фильтрацию и устранение помех в виде белого шума. Алгоритмы измерительных органов, которые основаны на фиксации мгновенных значений измеряемого сигнала в дискретные моменты времени и определении амплитуды и фазы по одной или двум выборкам [3] обладают достаточно высоким быстродействием, однако имеют низкую помехоустойчивость. Исходя из вышесказанного, разработка алгоритмов работы цифровых измерительных органов тока и напряжения со временем дей-

13

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ствия менее полупериода промышленной частоты и высокой помехоустойчивостью является актуальной задачей. Такие алгоритмы требуются, например, для устройств быстродействующего автоматического включения резерва в системах электроснабжения потребителей первой категории надежности. Целью работы является повышение быстродействия и помехоустойчивости алгоритмов работы измерительных органов тока и напряжения за счёт применения интегрального усреднения дискретных мгновенных значений на заданном интервале измерений. Примем за основу метод для определения ортогональных составляющих измеряемого сигнала, основанные на использовании мгновенных значений измеряемого сигнала и их производных. В этом случае амплитуду Xm, начальную фазу φ и комплексное выражение для измеряемого сигнала найдем как: 2

 x '(t )  2 Xm =   + x (t ) ,  ω   ω⋅ x(t )  ϕ = arctg  ,   x '(t )  j (ω ⋅ t + ϕ) x '(t ) = + jx (t ) .

X (t ) = X m ⋅ e ω При таком подходе необходимо выполнение численного определения производной x̀(t) по мгновенным значениям измеряемого сигнала. Для этого лучше всего использовать трех и более текущих выборок измеряемого сигнала, взятых через одинаковые промежутки времени. В этом случае большей точностью будут обладать центральные производные для определения, которых используется нечетное количество выборок. Для численного определения центральных производных по трем или пяти выборкам могут быть использованы формулы: 1 (1) x '(t ) = ( x (t3 ) − x (t1 ) ) , 2h 1 (2) x′ (t ) = ( x(t1 ) − 8 ⋅ x(t2 ) + 8 ⋅ x(t4 ) − x(t5 ) ) .

12h Так как по формулам (1) и (2) определяются центральные производные для моментов времени t2 или t3, то для этих же моментов времени необходимо использовать усреднённые мгновенные значения измеряемого сигнала из тех же трех или пяти выборок, что дополнительно позволит ослабить влияние случайных помех. Поскольку операция численного дифференцирования отличается

14

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

меньшей точностью от операции интегрирования, то с целью повышения точности вычисления более целесообразно сначала определить усреднённое значение измеряемого сигнала для середины интервала по трем или пяти выборкам: 1 i (t3 ) = ( i (t1 ) + i (t2 ) + i (t3 ) + i (t4 ) + i (t5 ) ) An где: An – коэффициент усреднения. Такое усреднение позволяет выполнить фильтрацию и снизить уровень влияния случайных помех. В связи с тем, что выборки берутся с одинаковым шагом дискретизации h, а синусоидальная функция является нелинейной, то коэффициент для усреднения определятся как отношение суммы всех n выборок измеряемого сигнала к центральной выборке измеряемого сигнала по формуле: n −1 ∑ sin(ω ⋅ (t1 + h ⋅ r ) + ϕ) .

An = r = 0 n −1  sin(ω ⋅  t1 + h ⋅  + ϕ) 2  

(3)

Как видно из (3), коэффициент усреднения An зависит от частоты ω, длины шага h и количества выборок n. Так для ω =314 рад, h =0.001 с для n =3 и n =5 из (3) получим A3 =2.902, A5 = 4.521. Без уточненного усреднения эти коэффициенты были бы соответственно равны: A3=3, A5=5. Результаты работы описанного выше алгоритма для пяти выборок измеряемого сигнала приведены на рисунке 1, а на рисунке 2 приведены результаты работы алгоритма для пяти выборок измеряемого сигнала с высшими гармониками.

Рис. 1 – Результаты получения ортогональных составляющих по пяти выборкам измеряемого сигнала и его производным

15

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 2 – Результаты получения ортогональных составляющих по пяти выборкам измеряемого сигнала при наличии в нем высших гармоник Применение предложенного алгоритма определения ортогональных составляющих измеряемого сигнала тока или напряжения обеспечивает более быстрое затухание апериодических составляющих в измеряемом сигнале в переходных режимах, что устраняет их влияние на искажение синусоиды измеряемого сигнала, и позволяет выполнить фильтрацию измеряемого сигнала от высших гармоник и случайных помех. Выводы 1.Для цифровых измерительных органов тока и напряжения предложен способ определения ортогональных составляющих измеряемого сигнала по дискретным значениям аналогово-цифровых преобразователей.

2.Применение интегрального усреднения мгновенных значений измеряемого сигнала на интервале наблюдения длительностью менее полупериода промышленной частоты позволяет сократить время определения ортогональных составляющих измеряемого сигнала до 5 мс вместо 20 мс.

Перечень ссылок 1. Лямец Ю.Я. Цифровая обработка сигналов для цепей релейной защиты // Применение микропроцессоров и микроЭВМ в электротехнике. ЧГУ. Чебоксары.

1988.

2. Ильин В.А., Лямец Ю.Я. Характеристики алгоритма Фурье // Применение микропроцессоров и микроЭВМ в электротехнике. ЧГУ. Чебоксары. 1988.

3. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита / Э. М. Шнеерсон. – М.: Энергоатомиздат, 2007. – 549 с.

16

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.365.52

ИНДУКЦИОННАЯ ЗАКАЛКА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ А.Н. Качанов, В.А. Тимохин, Е.А. Миронов ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева», г. Орёл, Россия В статье приведены результаты аналитического и численного расчётов в программной среде ELCUT, а также конструкция закалочного индуктора и принципиальная схема индукционной установки для поверхностной закалки стального валка прокатного стана Дуо-Кварто. Ключевые слова: поверхностная закалка, индукционный нагрев, непрерывно-последовательный нагрев, программный продукт ELCUT. The article presents the results of analytical and numerical calculations in the ELCUT software environment, as well as the design of inductor and principal scheme of the induction unit for surface hardening of the steel roll of Duo-Qarto rolling machine.

Keywords: surface hardening, induction heating, scanning heating, software product ELCUT. Рабочие валки для станов холодной прокатки являются крупногабаритными изделиями: их размер может составлять несколько метров в длину и в диаметре, а масса составляет несколько тонн. Для изготовления валков используют высокоуглеродистые легированные стали, т.к. к ним предъявляются повышенные требования по критериям твердости и износоустойчивости рабочей поверхности, которая работает на истирание. Поэтому на заключительном этапе изготовления валка его рабочая поверхность подвергается закалке. От качества закалки валка зависит надёжность и продолжительность работы стана. При проектировании и изготовлении индукционных устройств для закалки деталей и изделий с большими массогабаритными размерами необходимо учитывать изменение электрофизических свойств материала в процессе нагрева и условий эксплуатации. Из теории и практики индукционного нагрева металлов известно, что поверхностную закалку можно успешно проводить в индукционных установках, обеспечивающих как одновременный, так и последовательный непрерывный нагрев цилиндрических деталей [1,2]. Уста-

17

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

новки первого типа используется для закалки деталей и изделий небольших размеров (деталь размещается внутри многовиткового индуктора), а второго типа – для крупногабаритных изделий (индуктор обеспечивает зонный нагрев поверхности детали), к которым относиться рабочий валок прокатного стана Дуо-Кварто (длина – 2725 мм, диаметр – 550 мм). При реализации последовательно-непрерывного нагрева индуктор перемещается вдоль рабочей поверхности валка со скоростью, обеспечивающей технологический процесс. Нагрев до температуры начала фазовых превращений 750 оС должен протекать со скоростью от 200 до 280 оС/сек, а в области фазовых превращений (745 – 1050 оС) с постоянной скоростью – до 100 оС/сек. Следовательно, можно выделить два этапа нагрева рабочей поверхности валка. Первый этап – нагрев с заданной скоростью за минимальный промежуток времени до температуры закалки – 850 оС. На втором этапе осуществляется изотермическая выдержка при температуре 850 оС. Скорость нагрева, температуру изотермической выдержки, а также её длительность можно регулировать изменением напряжения на зажимах индуктора, подключенного к источнику питания повышенной частоты. Наличие автоматизированной системы регулирования индукционного нагрева под закалку обеспечивает получение оптимальных механических свойств закаленной стали, характеризуемых высокими значениями прочности и вязкости. Правильно выбранная средняя скорость нагрева при минимальной температуре нагрева под закалку, позволяет получить структуру мелкокристаллического безыгольчатого мартенсита [3]. Перегрев при индукционном нагреве приводит к росту зерна аустенита, резкому снижению хрупкой прочности закаленного слоя и увеличению опасности образования закалочных трещин. Поэтому нагрев при непрерывном повышении температуры с постоянной скоростью целесообразно применять при небольших глубинах закалки (1 – 3 мм), т.к. в слое такой толщины исключен перепад температуры, приводящий к перегреву поверхностного слоя нагреваемой стали. При закалке на большие глубины (10 мм и более) возникает опасность перегрева поверхности. В этих случаях целесообразно осуществлять нагрев с изотермической выдержкой, длительность которой следует выбирать исходя из необходимости завершения фазовых превращений в слое заданной толщины закаливаемой детали. Увеличивая или уменьшая продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре, можно изменять глубину закаленного слоя, а также предотвратить появлений отслоений, сколов и трещин на рабочей поверхности валка.

18

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Известны также и другие технические решения, направленные на внедрение технологии электромагнитной обработки для закалки крупногабаритных стальных изделий [4]. Авторами предлагается для предварительного нагрева валка использовать токи частотой от 50 до 175 Гц, а затем осуществлять индукционную закалку на расчетной частоте, которая не всегда может совпадать с частотой тока источника повышенной частоты имеющегося на конкретном предприятии. Заводы электротехнической промышленности изготавливают источники питания на стандартные частоты тока, регламентируемые ГОСТ 16370-80. На рисунке 1 представлена конструкция индуктора для закалки рабочей поверхностной валка прокатного стана Дуо-Кварто, рассчитанная по известной инженерной методике расчета закалочных индукторов [5] с учетом технических возможностей предприятия ЗАО «Мценскпрокат». В качестве источника питания выбран тиристорный преобразователь частоты мощностью Рис. 1 – Конструкция закалочного индуктора: 630 кВт с частотой 1 – индуктирующий провод; тока 1000 Гц обеспе2 – токопроводящие шины; 3 – колодки; чивающий требуе4 – охлаждающая камера; 5 – трубки подачи мую глубину закаводы; 6 – спрейер; 7 – устройство воздушного лённого слоя рабодутья. чей поверхности валка – 10 мм. Было принято допущение о том, что предварительный нагрев на низкой частоте не требуется, что позволило упростить конструкцию индуктора. При реализации режима предварительного нагрева глубоких слоев валка повышаются требования к системе охлаждения в части достижения критической скорости охлаждения для обеспечения требуемого качества закалённого слоя, так как реверс тепловой энергии из глубинных слоев изделия может нарушить процесс равномерности охлаждения рабочей поверхности валка и, как следствие привести к

19

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

браку. Более подробно конструкция устройства описана в литературе [6]. На рисунке 2 представлена принципиальная схема индукционной закалочной установки. Вал, подлежащий закалке, закрепляется в вертикальном положении с помощью фиксирующего устройства, расположенного на опорном подшипнике и приводимого во вращение электропривоРис. 2 – Принципиальная схема дом со скоростью до индукционной закалочной установки 60 об/мин. Верхняя часть вала также фиксируется захватами, установленными на шариковых подшипниках. Закалочный трансформатор и присоединённый к нему индуктор закреплены на подвижной каретке, которая также с помощью электропривода перемещается вдоль рабочей поверхности вала со скоростью, согласно термической кривой индукционного нагрева. Подвод энергии от источника питания к закалочному трансформатору осуществляется гибким токоподводом. Перед началом операции закалки каретка с индуктором устанавливается в крайнее нижнее положение. Процесс закалки начинается с подачи питания на индуктор и включения привода вращения детали для выравнивания границы нагрева и зоны охлаждения. Сначала нагрев происходит при неподвижном индукторе, а затем, при нагреве зоны поверхности вала, расположенной под индуктором до температуры незначительно ниже точки магнитных превращений (контролируется оптическим пирометром), по сигналу реле времени включается электропривод движения каретки. При перемещении каретки вверх на ширину индуктора, посту-

20

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

пает сигнал на подачу охлаждающей воды в спрейер и воздуха для отсечения воды от нагреваемой выше зоны рабочей части валка. Равномерность структуры и глубины закалённого слоя обеспечивается путем подбора соответствующих выдержек времени на начало движения после включения нагрева согласно термической кривой нагрева с изотермической выдержкой при 850 оС. Когда индуктор достигнет границы рабочей части валка, подлежащей закалке, первый путевой выключатель отключит нагрев, а второй путевой выключатель подаст сигнал на реле времени, которое с выдержкой времени отключит движение индуктора, подачу воздуха, воды в спрейер и подаст команду на возвращение индуктора в исходное положение. Закалённая деталь снимается и заменяется следующей. В процессе закалки осуществляется постоянный контроль электрических величин: тока, напряжения, мощности, cos φ. При изменении коэффициента мощности во время разных стадий нагрева, блок управления даёт команду устройству компенсации реактивной мощности на подключение или отключение дополнительной ёмкости. Ввиду невозможности физического моделирования из-за его дороговизны и ресурсозатратности, расчёт закалочного индуктора, помимо аналитического метода, был проведен с использованием метода конечных элементов в а) программной среде ELCUT. Математическое моделирование позволило исследовать распределение электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор-загрузка» с учетом нелинейного характера изменения основб) ных параметров нагреРис. 3 – Картина распределения ваемой среды. плотности тока и силовых линий На рисунке 3 предмагнитного поля (а) и картина ставлены картины распрераспределения температуры по сечению деления плотности тока и валка (б). силовых линий магнит-

21

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ного поля (а) и распределения температуры по сечению валка (б). По результатам электрического расчёта естественный коэффициент мощности индуктора cos φ составил 0,457 (при аналитическом расчёте cos φ = 0,459). По результатам теплового расчёта средняя температура металла под индуктором на границе закаливаемого слоя составила 879 °С (минимальная необходимая температура при аналитическом расчёте принималась равной 850 °С). Выводы 1. Сравнительный анализ результатов, полученных аналитических путем и результатов исследований системы «индуктор-загрузка» в программной среде ELCUT, показал, что при корректной постановке задачи и научно-обоснованных принятых допущениях погрешность не превышает 3,26 %. Таким образом, достоверность полученных результатов не вызывает сомнений, электротехнический комплекс может быть рекомендован для практического использования.

2. Применение программного продукта ELCUT позволяет существенно сократить сроки выполнения инженерных расчетов при разработке индукционных устройств для поверхностной закалки, а также минимизировать затраты на создание физических и опытно-промышленных образцов.

3. Автоматизированная система управления и регулирования процесса индукционного нагрева под закалку, настроенная на оптимальную термическую кривую индукционного нагрева с изотермической выдержкой, при значении температуры на нижней границе фазовых превращений, позволяет получить изделие с требуемой твердостью и прочностью закаленной поверхности при сохранении вязкой сердцевины, а также сократить мощность, потребляемую индуктором от источника питания и повысить эффективность потребления электрической энергии электротехническим комплексом в целом.

Перечень ссылок 1. Бабат, Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение [Текст] / Г.И. Бабат. – М.-Л.: Энергия, 1965. – 552 с.

2. Шепеляковский, К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве [Текст] / К.З. Шепеляковский. – М., Машиностроение, 1972. – 288 с.

3. Качанов, Н.Н. Прокаливаемость стали [Текст] / Н.Н. Качанов. – М., Металлургия, 1978. – 192 с.

4. Демидович, В. Б. Технологии электромагнитной обработки крупногабаритных стальных изделий [Текст] / В. Б. Демидович, Ю. Ю. Перевалов. – Известия Академии электротехнических наук РФ. – №20. – декабрь 2018. – С. 92-101.

5. Слухоцкий, А. Е. Индукторы для индукционного нагрева [Текст] / А. Е. Слухоцкий, С. Е. Рыскин. – Л.: Энергия, 1974. – 264 с.

6. Качанов, А. Н. Индукционное устройство для закалки стального валка прокатного стана Дуо-Кварто [Текст] / А.Н. Качанов, Е.А. Миронов. – Энерго- и ресурсосбережение – XXI век: материалы XVI международной научно практической конференции». – 26 – 28 сентября 2018 г. – С. 87-90.

22

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.47

МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ВЫРАБОТКИ МОЩНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ В.Г. Черников, А.А. Чепига ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический Университет» В статье рассмотрена проблема применения различных методов увеличения выработки мощности солнечных батарей, а также эффективность ее использования в климатических условиях города Донецка. Для данного исследования была разработана программа на базе математической модели, которая позволила дать оценку целесообразности применения предложенных методик для оптимизации работы фотоэлектрических модулей. Ключевые слова: Солнечные батареи, эффективность, методы увеличения выработки мощности, климатические условия, целесообразность.

The paper is devoted to the application of various methods of increased power generation of solar panels as well as the efficiency of their utilization in Donetsk environmental conditions. The program based on a mathematical model has been developed for the given research, which enables the practicability estimation of the techniques that have been offered to optimize photovoltaic array operation.

Keywords: solar panels, efficiency, methods of increased power generation, climatic conditions, practicability. Постановка задачи. В настоящее время огромное внимание уделяется вопросам энергосбережения в строительстве. Это выгодно предприятиям как с экологической, так и с экономической точки зрения. Одним из основных способов сохранения энергии и природных ресурсов является использование альтернативных источников энергии, в частности солнечной энергии. В данной работе определяется, насколько выгодно использование фотоэлектрических модулей (ФМ) в Донецке на основе расчета производства энергии в исследуемых климатических условиях с помощью программы, разработанной на языке программирования С++, и какой из методов увеличения выработки мощности является эффективным. Анализ публикаций. Проблема использования солнечной энергии является весьма актуальной в условиях повышения интенсивности использования различных видов энергии для потребностей населения. В этой связи повышение эффективности действия солнечных батарей 23

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

представляет собой важную задачу для исследователей. Данная проблема рассматривалась разными учеными, одним из акцентов исследований является создание систем, обеспечивающих максимальное использование солнечной энергии. При проведении исследований были использованы разработки теоретиков и практиков. Так, математическая модель, позволяющая увязать количество вырабатываемой энергии и географическое положение, была применена для разработки программы оценки эффективности солнечной панели. Она основана на подходах, рассмотренных в работе Китаевой М.В. [1, с.25-34]. Рассчитанный срок окупаемости установки сравнивался с оптимальным сроком эксплуатации солнечного модуля (25 лет) в соответствии с ГОСТом Р 57229-2016 [2]. Результаты исследований. Использование солнечной радиации для производства электричества дает много преимуществ по сравнению с ТЭС, которые на данный момент вырабатывают 70 % мировой энергии. Этот альтернативный источник не требует топливных и сырьевых затрат, а также не вредит окружающей среде. Солнечная энергия доступна везде, даже на Луне. Но, чтобы получить максимальную отдачу от ФМ, их нужно направлять непосредственно на Солнце, ведь чем больше площадь поверхности, которая подвергается воздействию прямых солнечных лучей, тем больше мощность фотоэлектрической панели. Для этого необходимо, чтобы плоскость ФМ была перпендикулярна солнечным лучам. Однако здесь возникает проблема, так как Солнце не находится в неподвижном положении и постоянно меняет его в небе по отношению к Земле с утра до ночи, что затрудняет правильную ориентацию солнечной панели. За один день Земля вращается вокруг своей оси на 360°, но ФМ будут генерировать энергию только в светлое время суток. Продолжительность дня варьируется в зависимости от широты и местоположения ФМ, а также времени года. Положение Солнца на небе можно описать двумя углами: азимутом и зенитом. Азимут – это угол между истинным направлением на север и проекцией Солнца на горизонтальной плоскости Земли. Зенитный угол характеризует высоту солнцестояния. Азимут изменяет величину в течение суток за счет вращения Земли вокруг своей оси (его еще называют часовым углом), а зенитный угол изменяется за счет прецессии земной оси. Поэтому при проектировании системы управления необходимо учитывать два вращательных движения Солнца: суточное движение (перемещение по оси азимута) и годовую прецессию оси Земли (перемещение по оси эклиптики). Управлять положением Солнца можно двумя способами: по одной оси и по двум.

24

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Количество осей определяет механизм системы управления: одноосный и двухосный. Двухосные системы контролируют положение Солнца в двух плоскостях (азимуту и эклиптике Солнца), что обеспечивает точное отслеживание солнечного перемещения в течение дня. Двухосные системы имеют большую эффективность по сравнению с одноосными, однако стоимость их гораздо выше в связи с усложнением их конструкции и блока контроллера. Поэтому чаще используют системы с одной осью контроля, а вторую ось, как говорилось ранее, выставляют параллельно оси Земли или, для достижения большей эффективности, выставляют вручную 3-4 раза в год на наиболее эффективный угол [3, с.137]. Немаловажную роль играет выбор способа контроля ориентации ФМ. Способы контроля ориентации ФМ делятся на 3 вида: 1) ручной способ, при котором наводка на Солнце производится оператором; 2) пассивный способ, при котором поворот ФМ в течение дня производится по заданному алгоритму управления; 3) активный способ, обеспечивающий постоянную ориентацию на максимальный поток солнечного излучения. При ручном способе для ориентации большого количества ФМ используется панель управления общим приводом. Точность, а как следствие, и мощность, вырабатываемая в течение суток, зависит от работы оператора: его выбора угла ФМ, количества поворотов ФМ в течение суток и времени работы поворотного устройства. Ручной способ получил наименьшее распространение. Однако этот метод позволяет оператору быстро отследить наличие поломки в случае ее возникновения. Все пассивные системы управления имеют один принцип работы - контроль скорости вращения ФМ, основанный на расчете постоянных характеристик для заданного географического положения ФМ. Начальные значения для разработки алгоритма системы управления постоянны: географическая широта, продолжительность суток по времени, изменение высоты солнцестояния в течение дня и в течение года. Угол и скорость вращения ФМ определяется на основании данных метеослужбы о продолжительности дня, высоте солнца утром, максимальной высоте в полдень и вечером в определенное время, а также на базе координат местоположения ФM. Системы активного контроля получили наибольшее развитие и распространение на сегодняшний день. В отличие от пассивных систем, активные ориентируют поверхность ФМ к максимальному пото-

25

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ку солнечного излучения с помощью датчика, то есть к самому яркому пятну на небе, что в некоторых случаях не соответствует положению Солнца на небе. Для нашего эксперимента подойдет пассивный метод, так как это уменьшит стоимость конструкции, позволит управлять СЭС по заранее написанному алгоритму и собирать статистическую информацию о выработке энергии в течение дня. На базе математической модели ФМ была разработана программа в среде Microsoft Visual Studio 2017, которая позволила произвести расчет выработки ФМ, установленных под углом к горизонту, соответствующему широте местности, с применением одно- и двухосной систем контроля. Как видно из графика (рис.1), применение одноосной системы принесут дополнительно 51% в год, а двухосная система контроля увеличит выработанную мощность ФМ на 65%.

100 90 80

Мощность, Вт

70 60 50 40 30 20

Оптимальный угол 1-осная система контроля 2-осная система контроля

10 0

1

2

3

4

5 6 7 8 Порядковый номер месяца

9

10

11

12

Рис. 1 – Значения среднемесячной мощности ФМ в течение года с использованием систем контроля и без них Однако, несмотря на столь большую эффективность двухосной системы, рентабельнее использовать одноосную. Для Донецка выигрыш по мощности двухосной системы относительно одноосной составляет всего 14% при установленной второй оси на 48°. На рис. 1 видно, что выигрыш двухосной системы особо ощутим в зимние месяцы, т.е. когда склонение Солнца изменяется значитель-

26

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

но. Если несколько раз в год менять вручную угол наклона поверхности ФМ на угол, соответствующий высоте солнцестояния, то выигрыш двухосной относительно одноосной системы будет меньше. Ввод второй оси обойдется дороже и уменьшит надежность всей системы. Также немаловажным фактором при разработке системы контроля является выбор интервала ориентирования. С помощью программы модели ФМ проведены расчеты выработанной мощности с применением систем контроля в течение года при интервалах между ориентированиями 5 мин, 10 мин, 30 мин, 1 ч, 2 ч, 3 ч и 4 ч. На рис. 2 графики отображают зависимость годового выигрыша мощности ФМ относительно стационарно установленного ФМ под углом к горизонту 48° от интервала времени между ориентированиями.

100 1-осная система контроля 2-осная система контроля

90

Прирост мощности, %

80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

50

100 150 Интервал времени, минуты

200

250

Рис. 2 – Среднегодовой выигрыш мощности ФМ с применением систем контроля от интервала между ориентированиями Из графика видно, что максимальный выигрыш мощности ФМ с применением одноосной системы равен 61%, а с применением двухосной – 75%. При интервале между включениями 30 минут выигрыш мощности меньше максимального значения на 14%. При использовании интервалов больше 30 минут выигрыш мощности уменьшается значительнее. Однако даже ориентирование раз в четыре часа, как показывают графики, является выигрышным.

27

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Помимо движения Солнца следует обратить внимание, что на вольт-амперной характеристике (ВАХ) солнечного модуля существует уникальная точка с координатами (Umpp, Impp), в которой ее выходная мощность достигает своего максимума. Поэтому для достижения максимальной эффективности солнечного модуля при построении ФЭ системы необходимо использовать алгоритм слежения за точкой максимальной мощности (MPPT - maximum power point tracking), для передачи в нагрузку максимально возможной при данных условиях мощности солнечного модуля. Выполнение этой задачи осложняется нелинейной зависимостью генерируемого солнечным модулем тока от его выходного напряжения, зависимостью генерируемой мощности от солнечного излучения и температуры, проблемой частичного затенения модулей (PS - partial shading), входящих в состав солнечной батареи. В зарубежной литературе описаны многочисленные методы MPPT различной сложности. В коммерческих изделиях наиболее широко используются методы возмущения и наблюдения (perturbation and observation – P&O) и возрастающей проводимости (incremental conductance – 1C) из-за их простых управляющих структур и удобства реализации. Для ФЭ систем с низким уровнем точности отслеживания MPP находят применение такие методы, как метод постоянного напряжения (constant voltage – CV) и тока, короткого замыкания (short-current pulse - SC), напряжения холостого хода (open circuit voltage – OC). Эти методы требуют меньшего количества датчиков и недороги в реализации. С развитием компьютерной техники стали популярными методы поиска MPP на основе вычислительного интеллекта (computational intelligence - C1) благодаря своей адаптивной природе, которые очень эффективны при работе в условиях частичного затенения солнечных модулей и быстрого изменения освещенности. Методы C1, как правило, делятся на методы искусственного интеллекта (artificial intelligence - A1) и эволюционных вычислений (evolutionary computation - ЕС). Классический алгоритм возмущения и наблюдения предполагает увеличение или уменьшение опорного напряжения Uref фотоэлектрической системы с целью возмущения через равные промежутки времени и дальнейшее сравнение выходной мощности солнечного модуля на k и k-1 этапах работы. Если при изменении выходного напряжения солнечного модуля на k-м интервале измерения его мощность возрастает (переходы A2→A1, B2→B1 на рис. 3(а)), то система управления продолжает перемещать рабочую точку солнечного модуля в этом направлении [4, с.3].

28

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 3 – Движение рабочей точки солнечного модуля в условиях постоянного (а) и переменного (б) солнечного излучения В противном случае знак приращения опорного напряжения ∆Uref изменяется, и рабочая точка солнечного модуля перемещается в противоположном направлении (рис. 4). Основным преимуществом такого подхода является простота реализации алгоритма. На рис. 4 Upv(k), Ipv(k), Ppv(k) - напряжение, ток и мощность солнечного модуля на k интервале поиска MPP; Uref(k) - опорное напряжение ФЭ системы, задающей напряжение на выходе солнечного модуля [5, с.2].

Рис. 4 – Блок-схема алгоритма возмущения и наблюдения (Р&О) Недостатком классического алгоритма Р&О является его невысокая эффективность при низком солнечном излучении. По этой причине были предложены альтернативные решения. Например, в работе

29

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

алгоритм P&O объединен с алгоритмом постоянного напряжения (CV) для отслеживания MPP с высокой эффективностью как при низких, так и при высоких уровнях солнечного излучения. Алгоритм увеличивает длительность открытого состояния силового ключа преобразователя постоянного напряжения до тех пор, пока выходное напряжение солнечного модуля не станет равным примерно 76% от напряжения холостого хода, являющегося отправной точкой для контроллера MPP. Затем алгоритм вычисляет выходной ток солнечного модуля. При превышении током уровня, соответствующего минимальной мощности солнечного излучения, алгоритм использует метод P&O; если же ток ниже, то алгоритм использует метод CV. Результаты моделирования показывают, что эффективность отбора солнечной энергии составляет от 95% до 99% в широком диапазоне солнечного излучения. Выводы Проведенные исследования показали, что для климатических условий Донецка целесообразнее использовать одноосную систему контроля с интервалом ориентирования не более 30 минут, в который свою работу будет начинать контроллер заряда с MPPT - методом P&O. Данные предложения могут быть использованы для разработки компактных стационарных установок, позволяющих использовать солнечную энергию для снижения потребностей предприятий в энергоресурсах; населению подобные установки позволят использовать солнечную энергию с максимальным эффектом для парникового хозяйства, обеспечения энергобезопасности, энергонезависимости и снижения затрат на электроэнергию в условиях сельской местности.

Перечень ссылок 1. Китаева М.В. Аппаратно-программный комплекс для контроля оптимальной ориентации фотоэлектрических модулей на максимальный поток солнечного излучения: дис. канд. техн. наук: 05.11.13 / Китаева Мария Валерьевна. – Томск, 2014. – 139 с.

2. ГОСТ Р 57229-2016. Системы фотоэлектрические. Устройства слежения за Солнцем. Технические условия. — М.: Стандартинформ, 2016 — 62 с., ил. табл.

3. Лукутин Б.В. Возобновляемые источники электроэнергии. Учебное пособие–Томск: Издательство ТПУ, 2008–127с.

4. Martin A.D., Vazquez J.R. MPPT algorithms comparison in PV systems: P&O, PI, neuro-fuzzy and backstepping controls. Proc. IEEE Int. Conf. on Industrial Technology, ICIT. Seville, Spain, 2015, pp. 2841–2847. doi: 10.1109/ICIT.2015.7125517 5. Panda B., Panda B., Hota P.K., Bhuyan S.K. A comparative analysis of maximum power point techniques for photovoltaic system // Proc. IEEE Power, Communication and Information Technology Conference (PCITC). Bhubaneswar, India, 2015. P. 732–737. doi: 10.1109/PCITC.2015.7438093

30

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316.9

РАСЧЕТ НЕСТАЦИОНАРНОГО НАГРЕВА ЭЛЕКТРОПРОВОДКИ 0,4 кВ И.А. Бершадский, А.В. Згарбул, Е.Я. Наглюк ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», На основании применения метода конечных элементов определена зависимость времени нагрева 2-х жильного кабеля при протекании электрического тока. Дано сравнение результатов численных расчетов с экспериментальными данными. Разработан метод и способ, позволяющий установить прогнозируемое время допустимой перегрузки кабеля. Ключевые слова: электропроводка, нагрев, перегрузка, тепловая защита, микропроцессорное устройство.

Based on the application of the finite element method, the dependence of the heating time of a 2-core cable during the flow of electric current is determined. A comparison of the results of numerical calculations with experimental data is given. A method and method has been developed that allows to establish the predicted time of permissible cable overload.

Keywords: electrical wiring, heating, overload, thermal protection, microprocessor device. Для обеспечения безопасности жилых и общественных зданий большое значение имеет предотвращение пожароопасного перегрева, возникающего при перегрузках и удаленных коротких замыканиях с малыми кратностями тока К по отношению к длительно допустимому тока электропровода (кабеля). Перегрев изоляции проводников выше предельно допустимой температуры приводит к развитию пожароопасной ситуации и дальнейшему КЗ. Наиболее распространенными аппаратами защиты в настоящее время являются автоматические выключатели (АВ) различных производителей АВВ, IEK и др., которые почти повсеместно вытесняют плавкие предохранители и автоматические «пробки». Их главный недостаток состоит в несоответствии координации время-токовых характеристик (ВТХ) аппарата защиты и кабельно-проводникового изделия. Поэтому актуальной является задача разработки научно обоснованного метода и, впоследствии, способа его реализации для установ-

31

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ления путем моделирования или путем обработки экспериментальных зависимостей нестационарного нагрева кабеля прогнозируемого времени допустимой перегрузки toff. То есть необходимо обеспечить соответствующую координацию ВТХ аппарата защиты и кабельного изделия. Анализ возможностей микропроцессорных устройств защиты показывают целесообразность разработки новых принципов обеспечения пожаробезопасности кабелей и электропроводов сетей напряжением 220/380 В, которые позволили бы ускорить отключение аварийного участка, снизить вероятность перегрева, плавления изоляции и дальнейшего КЗ. Нагрев и охлаждение провода является сложным динамическим процессом, который зависит от многих факторов, полный учет которых невозможен. Как показали результаты дальнейшего математического моделирования в средах Elcut 6.3 и Соmsol Multiphysics 5.3a при кратностях тока К i ≤ 2 могут с достаточной для практики точностью выполняются следующие допущения: - температура Θ о.с. неизменна в течение всего неустановившегося режима; - плотность материала проводника ρ м = 8900 кг/м3, изоляции ρ из = 1400 кг/м3, воздуха ρ в = 1,23 кг/м3, удельная теплоемкость проводника С м = 400 Дж/(кг· К), изоляции С кз = 1600 Дж/(кг· К), воздуха С в = 1000 Дж/(кг К), теплопроводность проводника λ в = 400 Вт/(м· К), теплопроводность изоляции λ из = 0,15 Вт/(м· К), теплопроводность воздуха λ в = 0,026 Вт/(м· К) не зависят от времени и температуры тела. Электрическое сопротивление проводника зависит от текущей температуры Θ : ρ(Θ ). = ρ(Θ о.с. )[1 + 0,0043(Θ − Θ о.с. )] ,

(1)

где ρ(Θ о.с ) = 1,72 ⋅10 −8 Ом м. Расчетная зависимость коэффициента теплообмена α характеризуются плотностью теплового потока с поверхности провода в воздух при открытом способе прокладки. Коэффициент теплообмена α обусловлен свободной конвекцией и зависит от перепада температур кабеля и воздуха, а также размера поверхности охлаждения b: S = α (Θ н (b) − Θ о.с. ) ,

32

(2)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

где b – размер большой полуоси горизонтально расположенного эллипса. Сечение 2-х жильного кабеля ВВГ 2х2,5 приведено на рис. 1. Математическое моделирование динамики нагрева двухжильного кабеля приведено на примере кабеля ВВГ 2х2,5. Его размеры: диаметр медной жилы 2 Rw = 1.9 м, толщина изоляции 2 Rn = 0.8 м, толщина оболочки ∆Rоб = 1.4 м, размер большой полуоси эллипса b=4.9 м.

Рис. 1 – Сечение кабеля ВВГ 2х2,5 Согласно [4] число Нуссельта в ламинарном и переходном к турбулентному режиме свободной конвекции :

Nu = 0.494 ⋅ Gr 1/ 4 , g ⋅ b 3 ⋅ β ⋅ (Θ с − Θ о.с ) Gr = , ν2

(3) (4)

где Gr - число Грасгофа; g - ускорение свободного падения, м/с2; b - большая полуось, м; Θ с - температура поверхности кабеля, К (°С); Θ о.с - температура окружающей среды, К (°С); ν - коэффициент кинематической вязкости воздуха, ν = 15.06 ⋅ 10 −6 м2/с; β - температурный коэффициент объемного расширения β = (273 + Т 0 ) −1 . Тогда по [5] коэффициент теплоотдачи:

33

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Nu ⋅ λ , (5) b Аппроксимация коэффициента теплоотдачи α (рис. 2) проводилась в диапазоне температур ∆Θ = Θ с − Θ о.с. ≤ 300 °С выражением: α=

~

α = F (Θ) = 3,713 ⋅ ln(Θ − 293,989) + 0,12 , Вт/м3

(6)

Для сравнения результатов расчетов и экспериментов по нагреву 2-х жильного кабеля ВВГ 2х2,5 показана динамика изменения во времени температуры жилы на границе с изоляцией (см. рис. 3).

Рис. 2 – Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи кабеля ВВГ 2х2,5 Для проведения необходимых измерений была разработана принципиальная схема экспериментального стенда, которая представлена на рис.4. Приборы, использованные в схеме, имеют следующие технические характеристики: АТСК 25 – автотрансформатор, ТС-10 – силовой понижающий трансформатор, мультиметр FLUKE 8846A, мультиметр APPA 109N с термопарой. Среднее значение температуры нагрева жилы кабеля ВВГ 2х2,5 по трем рядам измерений показаны в сравнении с численным моделированием в аналогичных условиях. Следует подчеркнуть, что здесь наблюдается сходимость ± 6 % при К i <2. При сопоставлении экспериментальных данных нагрева жилы кабеля с результатами численного моделирования для К i =3;4;5

34

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

наблюдается более значительное расхождение, поэтому при разработке алгоритма МТПЗ в настоящее время взяты результатом измерений.

а)

б) Рис. 3 – Изолинии температуры (а) и изменение температуры вдоль координат х (б) при токе I= 54А. Температура воздуха Θ о.с. =20oC

Рис. 4 – Принципиальная схема экспериментального стенда для определения интервалов времени до плавления ПВХ изоляции кабельных изделий

35

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы 1. С помощью численного моделирования в программных средах Elcut 6.3 и Соmsol Multiphysics 5.3a и экспериментальных измерений получены характеристики динамики нагрева электрическим током двухжильного изолированного кабеля ВВГ 2х2,5 с 2-х слойной изоляцией («нормальная» защитная характеристика), охлаждаемого в результате свободно-конвективного теплообмена с окружающим воздухом с коэффициентом Rа = 5 ⋅10 4 (открытый способ прокладки).

2. Сопоставление расчетов, выполненных методом КЭ в указанных программных средах с данными экспериментов показывает соответствие с расчетами на уровне ± 6% при кратности тока по отношению к длительно допустимому Ki =0,5 .. 2.

3. Для предотвращения пожароопасного действия режима перегрузки электрического тока в установочных электропроводках 220 В и увеличения срока эксплуатации, предлагается за счет оптимизации контроля ВТХ и динамики теплового режима провода обеспечить возможность корректного и своевременного отключения защищаемого участка сети.

4. Применяемые в установочных электропроводках 220 В кабельнопроводниковые изделия с 1-но слойной изоляцией, например, ППВ, АППВ и др. имеют меньшие постоянные времени нагрева и требуют применения дополнительной «чувствительной» защитной характеристики.

Перечень ссылок "Электротехнический справочник". Т.2. Электротехнические изделия и устройства/Под общ. ред. профессоров МЭИ. - М.: Энергоатомиздат, 2003 г., с.

359-363.

2. Пат. на Винахід 114380 Украина, МПК(2006) Н02Н 3/08, МПК(2006) Н02Н 7/00, МПК(2006) Н01Н 73/02. Спосіб максимального струмового захисту з вибірковою чутливістю до струмів віддалених коротких замикань та пускових струмів асинхронних електродвигунів / Кобозєв О. С., Середа О. Г., Агабабов А. Ю., Юхно О. Д. – No u 2016 05401; заявл. 18.05.16; опубл. 25.05.17, Бюл. No 10.

3. Арещенко Б.В. Разработка алгоритмов устройств интеллектуальной защиты двигателей / Б.В. Арещенко // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. – 2008. - № 1(17). - С. 100-106.

4. Аушев И. Ю. Предотвращение пожароопасного действия электрического тока в электропроводках напряжением 220 В // Вестник командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь, №2(18), 2013 с. 73-80.

5. Аушев И. Ю. Динамика нагрева многожильного изолированного проводника электрическим током / И. Ю. Аушев, Ю. А. Станкевич, К. Л. Степанов // Вестник командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь – 2012. №2(16) – с. 87-96.

1.

36

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 519.87

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО И ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ВЕТРОУСТАНОВОК А.А. Брухаль, В.Г. Черников ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье рассматривается создание математической модели поведения ветра, максимально приближенной к реальному ветру, и соответствующие компьютерные модели с возможностью изменения среднего значения скорости ветра и интенсивности турбулентности. Ключевые слова: модель, поведение ветра, компонента турбулентности, скорость ветра The article discusses the creation of a mathematical model of wind behavior, as close as possible to the real wind, and the corresponding computer models with the ability to change the average value of wind speed and turbulence intensity.

Keywords: model, wind behavior, turbulence component, wind speed Существует проблема, связанная с корректным компьютерным и физическим моделированием работы ветроэнергоустановок (ВЭУ) на реальных ветрах [1]. Это особенно важно для ВЭУ малой и средней мощности, которые работают с ветрами невысокой среднегодовой скорости и значительной турбулентности. Скорость ветра может быть смоделирована как нестационарный случайный процесс, созданный наложением двух компонент, низкочастотной компоненты - vs(t) и турбулентной компоненты - vt(t) см. формулу (1): v(t ) = vs (t ) + vt (t ) .

(1) Поведение этих компонент может быть продемонстрировано спектральной моделью Ван Дер Ховена, которая изображена на рис. 1. Согласно рис. 1 наименьшая спектральная плотность мощности для низкочастотной компоненты приходится на диапазон от 2-ух часов до 10-и минут. Это означает, что интервал времени в течении которого низкочастотная компонента может оставаться неизменной на уровне среднего равен 10 минутам.

37

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 1 - Спектральная модель скорости ветра Ван Дер Ховена Математическое описание динамических особенностей турбулентной компоненты vt(t) может быть осуществлено с помощью спектра Каймала [1]. Этот спектр дает математическое описание зависимости спектральной плотности колебаний от их частоты, формула (2): L 4σ 2 t vs Svv ( f ) = , (2) 5 L 3  1 + 6 f t  vs   где Svv - спектральная плотность мощности колебаний, σ - среднеквадратичное отклонение скорости ветра, Lt - длина турбулентности, vs - среднее значение низкочастотной компоненты, которая сохраняется в течении 10 минут, f - частота колебаний. Среднеквадратичное отклонение скорости ветра σ может быть рассчитано через параметр интенсивности турбулентности It по формуле (3): 1 σ = It vs ; It = , (3) h ln    z0  где h - высота над землей, z0 - коэффициент шероховатости земной поверхности (z0 = 0.01 - ровная поверхность, 0.1 - небольшие препятствия, 1 - городская местность) Длина турбулентности рассчитывается согласно формуле: 150, если h ≥ 30 м  Lt =  .  5h, если h ≤ 30 м  На рис. 2 представлена спектральная функция по формуле (1).

38

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 2 - Спектральная функция Каймала при h=30 м, z0=0.01, vs=10 м/с Опираясь на спектральную функцию возможно создать модель, которая будет отображать поведение турбулентной составляющей скорости ветра на протяжении 10-ти минутного интервала времени, пока низкочастотная компонента скорости ветра будет оставаться постоянной величиной. Данная модель показана на рис.3. Модель основана на смешивании косинусоид с разными значениями амплитуды, частоты и фазы. Смешанный сигнал проходит через формирующий фильтр и корректируется согласно с величиной среднеквадратичного отклонения преобразуясь таким способом в значение турбулентной компоненты [2]. Турбулентная компонента в свою очередь добавляется к постоянному значению низкочастотной компоненты vs. Таким образом на выходе модели получаем величину скорости ветра на протяжении 10-ти минутного интервала времени.

Рис. 3 - Модель скорости ветра при постоянном значении низкочастотной компоненты Смешивание косинусоид осуществляется согласно формуле

39

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

(

)

N vt ( t ) = ∑ Ai cos ωit + ϕi , i=0

где Ai - значение амплитуды, которое рассчитывается согласно формуле , wi - значение частоты, которое отвечает диапазону f = 10−3 ÷100 Гц, см. рис.2, φi - значение фазы которое находится в диапазоне [-π;π] и генерируется случайным образом:

( ( )

(

)) (

)

2 1  Ai =  Svv ωi + Svv ωi+1 i ωi +1 − ωi   π 2

Постоянная времени Tf и коэффициент усиления Kf формирующего: T T f = vLt , K f = 2π  f , s B 1 ,1  Ts  2 3 где B - бета-функция, Ts - период дискретности для турбулентной функции (принимается равным приблизительно 10-ти минутам) [3]. Передаточная функция формирующего фильтра соответствует m T p +1 1 f Ht ( p ) = K , f     T f p + 1  m2T f p + 1    где m1 = 0.4; m2 = 0.25. Поведение скорости ветра согласно приведенным выше принципам было смоделировано в графической среде Simulink программного пакета Matlab и приведено на рис.4. Выводы Созданная математическая модель турбулентной составляющей ветра может использоваться в компьютерном моделировании работы ветрогенераторной установки. Поскольку смоделированный ветер близок к реальному, результаты исследований будут достаточно точно соответствовать действительности, и на их основе можно будет разрабатывать новые, более эффективные алгоритмы автоматического управления работой ветрогенераторной установкой с целью получения максимального количества электроенергии. Также на базе созданной математической модели можно реализовать физическую модель ветрогенератора, который работает при турбулентном ветре, записав алгоритм расчета по модели в микроконтроллер, который будет управлять электрическим двигателем-имитатором.

40

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 4 - Поведение скорости ветра согласно модели Ван Дер Ховена (h=30м, vs=10м/с, z0=0.01) на протяжении 10-тиминутного интервала времени Перечень ссылок 1. Обухов С.Г., Плотников И.А., Сарсикеев Е.Ж. ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОДОЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ ВЕТРА // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5.; 2.

Nichita C., Luca D., Dayko B., Ceanga E. Large band simulation of the wind speed for real time wind turbine simulators // IEEE Trans. on Energy Conversion.

– 2002, vol. 17, no. 4. – РP. 523–529.

3.

Changling L., Hadi B., Baike S., Boon-Teck O. Strategies to smooth wind power fluctuations of wind turbine generator // IEEE Trans. on Energy Conversion. – 2007, vol. 22, no. 2. – РP. 341–348.

41

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.315.1.001.24

НОВЫЙ ПОДХОД ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОЛЬШИХ ПЕРЕХОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛЭП ЧЕРЕЗ ВОДНЫЕ ПРОСТРАНСТВА И.А. Кулененок, В.Я. Горин, Н.Н. Давидсон ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» В расчетах больших переходов воздушных ЛЭП предлагается использовать уравнение состояния провода в новой форме при моделировании провода в виде цепи равного сопротивления растяжению. Ключевые слова: большой переход ЛЭП, уравнение состояния провода, новая форма, цепь равного сопротивления растяжению.

In the calculations of large transitions of overhead power lines it is proposed to use the equation of state of the wire in a new form when modeling the wire in the form of a circuit of equal resistance tensile.

Key words: large transitions of overhead power line, equation of state of the wire, new form, circuit of equal resistance tensile Ранее в расчетах больших переходов воздушных линий (ВЛ) электропередачи провод рассматривался как нерастяжимая гибкая нить [1], что нисколько не противоречило основным положениям теоретической механики. Однако, как показали результаты проведенных авторами практических расчетов в этой области, теоретическая механика должна применяться в органическом единстве с сопротивлением материалов, что предполагает рассматривать в настоящей работе провод как растяжимую гибкую нить. В отличие от теоретической механики, где изучается взаимодействие абсолютно жестких (недеформируемых) тел, в сопротивлении материалов исследуется поведение конструкций, материал которых способен деформироваться от внешних воздействий, т.е. изменять взаимное расположение частиц, приводящее к изменению его формы и размеров. При этом исследуются не реальные сооружения, а их расчетные схемы, что представляет собой ответственную и сложную проблему, от правильности решения которой зависит достоверность результатов последующих расчетов. В соответствии с изложенным провод ВЛ представляется в виде гибкой нити, своего рода стержня, способного сопротивляться только растяжению. Заметим, что из шести компонент внутренних сил для гибкой нити только осевая сила не равна нулю.

41

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Не менее важным обстоятельством в теории гибкой нити считается тот факт, что этот объект относится к классу однажды статически неопределимых систем, в элементах которых усилия не могут быть определены из уравнений статики. Кроме уравнений статики при решении статически неопределимых задач необходимо также использовать уравнения, учитывающие деформации элементов конструкции. Расчет гибких нитей обычно проводят в такой последовательности. Для статической интерпретации проводимого расчета составляются уравнения отсеченных элементов нити, содержащие неизвестные усилия. Геометрическая интерпретация расчета заключается в выявлении связи между длиной подвешенной нити L, пролетом l и стрелой провеса провода f (см. рис.).

y

.

x

Y0=f1

A

F2=h+y0

h

y

.

h1

h2

0 x h0

x0 l

Рис. 1 – Геометрическая интерпретация большого перехода ВЛ Рассмотреть физическую интерпретацию расчета - это значит установить зависимости изменения длины нити от растягивающего усилия и от изменения температуры окружающей среды. И, наконец, в завершение этого расчета нужно говорить о синтезированной (итоговой) интерпретации, когда решаются совместно полученные уравнения. Обратимся к физической интерпретации расчета. Общеизвестно, что механические свойства реальных тел весьма сложны. Однако не следует стремиться к формулировке уравнений, описывающих все детали механического поведения тела при воздействии нагрузок. Наоборот, целесообразно выбрать простейшую механическую модель, которая отражала бы лишь самые существенные свойства. Тогда возможно

42

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

развить достаточно общую и обозримую математическую теорию. Такие простые модели образуют основу и для последующих уточнений. Однако дальнейшее развитие теории больших переходов ВЛ связано, прежде всего, с уточнением уравнения состояния провода, которое в настоящее время является достаточно приближенным. Это обусловлено тем, что при вычислении упругого удлинения провода, обусловленного изменением атмосферных условий (температуры и нагрузок) не учитывается изменение силы тяжения по длине провода, которые имеют место в действительности при работе ВЛ. Заметим, что этот факт должен найти отражение и в терминологии: вместо термина «цепь равного сопротивления» более точным следует считать «цепь равного сопротивления растяжению». Механика издавна изучает деформацию упругого идеального тела, для которого уравнение состояния принимается на основе закона Гука. Представим гибкую нить как цепь равного сопротивления растяжению [1], которая подвергается действию осевых сил. Такая расчетная модель является оптимальной с точки зрения закона Гука. В этом случае уравнение состояния провода запишется в виде: L2 = L1 1 + α ( t2 − t1 )  1 + β ( σ2 − σ1 )  ,

где L1 и L2 – соответственно длины нити равного сопротивления растяжению, в каждом поперечном сечении которой напряжения σ1 и σ2 одинаковы; α – температурный коффициент линейного удлинения; β – коэффициент упругого удлинения; Е – модуль упругости.

1 β= .

E При расчете гибкой нити предлагаемая методика включает следующие совместно решаемые расчетные соотношения.

- Начало координат (см. рис.) размещается в точке А: σ γ σ γ  h = − ln cos ( l − x0 ) + lncos  x0  , γ σ γ σ  σ σ γ  y = − ln cos ( x − x0 ) + ln cos  x0  γ γ σ  - Начало координат (см. рис.) размещается в точке О: σ γ f 2 = h + y0 = − lncos ( l − x0 ) , γ σ σ γ  f1 = y0 = − lncos  x0  , γ σ 

43

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

L2 = L1 1 + α ( t2 − t1 )  1 + β ( σ2 − σ1 )  γ  ( h + 2 y0 ) σ  γ  σ ⋅ sin  l   1 l + e L=  γ  σ  .

2   - Наибольшее натяжение нити в точке В (см. рис. 1): H TB = , γ  cos  ( l − x0 )  σ  где H - натяжение провода в нижней точке О. В первом приближении цепь равного сопротивления растяжению превращается в параболу как пологую нить. В случае представления провода в виде цепной линии математические формулы имеют следующий вид: x3 x5 x 7 L = sh x = x + + + + ...

3! 5 ! 7 ! x2 x4 x6 f = ch x − 1 = + + + ...

2! 4! 6! Если провод представляется в виде цепи равного сопротивления растяжению, имеем: x 2 x4 x6 f = lncos x = − − − + ... .

2 12 45 x

x

1 1 1 1 1  x3  1  L = ∫ 1 + tg x dx = ∫ 1 + tg 2 x  dx = x + ( tg x − x ) = + ( tg x − x ) = +  x + x3  = x + 2 2 2 2 2 3  6  0 0 2

.

В первом приближении: x3 L= x+ .

6

Окончательно имеем: x 3 x5 17 7 L= x+ + + x + ...

6 15 630 Как видим, сохраняется принцип соответствия, согласно которому развитие новой теории не отменяет результатов прежней теории, но ограничивает область ее применения.

Выводы Использование уравнения состояния провода в предлагаемой форме позволяет при проектировании больших переходов ВЛ через водные пространства

44

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

надежно обеспечить соблюдение наименьшего расстояния до максимального габарита судов или сплава при эксплуатации ВЛ.

Перечень ссылок 1. Горин В.Я. Новая методика расчета параметров больших переходов воздушных ЛЭП/В.Я.Горин, Н.Н. Давидсон // Наук.праці ДонНТУ, серія «Електротехніка і енергетика», випуск 79 . – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2004. – С.74 77.

2. Бошнякович А.Д. Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи. – М.: Энергия, Ленинградское отд-ние, 1971. – 295с.

45

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

К ВОПРОСУ О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОДНОГО СЕЧЕНИЯ ПРОВОДА В ЗАМКНУТЫХ СЕТЯХ 110 кВ И.И. Ларина, Т.В. Зайнутдинова ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Анализируется целесообразность применения одного сечения в замкнутых сетях напряжением 110 кВ для уменьшения потерь мощности в них. Ключевые слова: электрической сеть, потери электроэнергии, сечение провода, экономическая эффективность, экономический критерий Practicability of use the one wire cross-section in the closed network with voltage 110 kV for energy losses decreasing in them is analyzed.

Keywords: electric network, energy losses, wire cross-section, economic efficiency, economic criterion Потери электроэнергии в электрических сетях характеризуют экономичность их работы. Основная часть потерь – это потери на нагрев, связанные с наличием активных сопротивлений у линий электропередач (ЛЭП) и трансформаторов. Доля потерь в ЛЭП составляет около 70% суммарных потерь. Радикальным средством снижения этой доли потерь является уменьшение активных сопротивлений проводов. При обычных температурах и использовании алюминия или меди возможность снижения активного сопротивления связана лишь с увеличением сечения проводов. Увеличение сечений связано с ростом стоимости ЛЭП, т.е., конкурирующими выступают два фактора: - экономия расходов на компенсацию потерь мощности и электроэнергии на нагрев проводов; - увеличение капиталовложений на сооружение линии. Для повышения надежности сети высокого напряжения выполняются по замкнутым схемам. Практически все они неоднородны изза неодинаковости отношения реактивных сопротивлений к активным Xi / Ri на каждом участке сети. Поэтому в замкнутом контуре протекает уравнительная мощность, вызывающая дополнительные потери. В отечественной практике электросетевого строительства используются следующие сечения сталеалюминиевых проводов для воздушных ЛЭП: для напряжений 35 кВ - три сечения (95, 120 и 150); для 110 кВ - шесть сечений (70, 95, 120, 150, 185, 240); для 220 кВ четыре

46

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

сечения (240, 300,400 и 500). При этом их неоднородность изменяется в пределах 1,41 - 2,09 для сетей 35 кВ, 1,04 - 3,38 для сетей 110 кВ и 3,6 - 6,88 для сетей 220 кВ. Использование унифицированных элементов ВЛЭП в мировой практике приводит к сокращению номенклатуры сечений в сторону их увеличения. Это существенно снижает активное сопротивление ЛЭП и, как следствие, потери мощности при передаче. Редакция ПУЭ, начиная с 2006 года, значительно суживает диапазон сечений: при сооружении ЛЭП напряжением 35 и 220 кВ рекомендуется использовать только одно сечение – 120 и 400 мм2 соответственно, при напряжении 110 кВ – два сечения 120 и 240 мм2. Это значительно снижает неоднородность замкнутых сетей: сети 35 и 220 кВ становятся однородными, а в сети 110 кВ неоднородность изменяется в пределах 1,71 – 3,38. Дальнейшая оптимизация распределения мощности в действующих электрических сетях 35 – 220 кВ достигается следующими путями: включением в контуры установок продольной компенсации; продольным и продольно-поперечным регулированием; размыканием части контуров замкнутой сети [1]. Все эти мероприятия, кроме размыкания замкнутого контура, требует значительных инвестиций в дополнительное оборудование. Использование одного сечения на всех участках замкнутых сетей сделает сеть однородной. В работе проанализирована целесообразность использования одной марки провода (АС -240) в замкнутых сетях напряжением 110 кВ при питании 2 и 3 потребителей. Рассмотрено по 11 вариантов сети в каждом случае. Мощности потребителей и длина линий изменялись в соответствии с рекомендациями пропускной способности ЛЭП 110 кВ [2]. Расчет выполнялся по критерию минимума приведенных затрат: Зпр = Ен·Kлэп + Иconst + Иvar, где Ен – нормативный коэффициент эффективности капвложений; Kлэп – капвложения в линии электропередач; Иconst – постоянные издержки, связанные с обслуживанием ЛЭП; Иvar – переменные издержки, связанные с потерями электроэнергии. Расчет капвложений выполнялся с учетом курса доллара 60 руб. за 1 $. Постоянные издержки рассчитывались по норме отчислений на эксплуатацию линий 7,2%; переменные издержки - по среднему тарифу на электроэнергию 3,367 т. руб./МВт·ч. Коэффициент эффективности принимался равным Ен = 0,2.

47

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для выбора лучшего варианта исполнения сети рассчитывался экономический эффект Э варианта, который имеет наименьшие затраты Зmin, относительно затрат в других вариантах: Э = Зi - Зmin и его экономическая эффективность Эф = Э/ Зmin·100. Варианты считаются равноэкономичными, если их экономическая эффективность отличается не более чем на 5%. Сечения проводов в базовом варианте выбирались в соответствии с рекомендациями ПУЭ - при мощности нагрузки на одну цепь до 20 МВт – 120 мм2 и при большей мощности – 240 мм2. При двух потребителях в сети были рассмотрены две вариации изменения сечения проводов на участках: - на всех участках применялось одно сечение 240 мм2; - на головных участках применялись сечения 240 мм2, а на среднем 120 мм2. Расчеты показали, что равноэкономичными являются только 6 вариантов из 11 при использовании сечения 240 мм2. Потери электроэнергии при этом уменьшаются в среднем в 1,5 раза, а капитальные вложения возрастают в 1,12 раза. При использовании сечений 240 мм2 / 120 мм2 / 240 мм2 все варианты являются равноэкономичными. Уменьшение потерь электроэнергии составило 1,46 раза, а увеличение капвложений – в 1,06 раза. Следует отметить, что в этом случае 7 вариантов из 11 имеют меньшие приведенные затраты, чем в базовом варианте. Это можно объяснить неравномерным распределением мощности по участкам сети – по среднему участку протекает намного меньшая мощность, чем на головных участках. При трех потребителях в сети возможен один вариант использования сечений – одно сечение 240 мм2 на всех участках. Десять из 11 вариантов оказались равноэкономичными. Уменьшение потерь электроэнергии составило в среднем 1,15 раза, а увеличение капвложений – в 1,06 раза. Только 1 вариант имеет меньшие приведенные затраты, чем в базовом варианте. Это можно объяснить более равномерным распределением мощности. Выводы Показана целесообразность выполнения участков ЛЭП проводами сечений 240 мм2 / 120 мм2 / 240 мм2 при двух потребителях в замкнутой сети и одного сечения 240 мм2 – при трех потребителях.

48

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок 1. Лежнюк, П. Д. Моделювання впливу неоднорідності електричної системи на оптимальність її режиму [Текст] / П. Д. Лежнюк, Д. І. Оболонський, Л. Р. Пауткіна // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 1996. – № 4. – С. 44–49.

2. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. –М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.

49

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311:681.5.015.8

МЕТОДЫ ИМИТАЦИИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ А.А. Булгаков, Е.А. Иванова, В.В. Зинченко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Сопоставлены методы имитации случайных электроэнергетических процессов с заданными числовыми характеристиками: метод элементных процессов, непрерывных дробей, эстафетный. Оценено качество воспроизведения корреляционной функции. Ключевые слова. Качество электроэнергии, ЭМС, электрические нагрузки, случайный процесс, автокорреляционная функция.

The methods of random electric processes with given numerical characteristics imitation were compared: element processes method, continuous fractions method, relay race method. The quality of correlation function reproduction was estimated.

Keywords: electric energy quality, EMS, electric load, random process, autocorellation function Постановка задачи. В системах электроснабжения для представления электрической нагрузки и параметров ЭМС распространенной является вероятностная модель случайного стационарного эргодического процесса с заданными характеристиками [1-3]. Ряд задач, связанных с оценкой обеспечения желаемого напряжения, качества электроэнергии на этапе проектирования и расчетом дополнительных потерь мощности от ухудшения качества электроэнергии в электроэнергетических системах, требует выполнения нелинейных статических и динамические преобразований над исходными величинами и процессами. Два эти фактора не позволяют находить аналитические решения в общем виде. В этом случае целесообразно применять статистическое моделирование, которое предполагает имитацию исходных случайных процессов и выполнение нелинейных преобразований над их реализациями. Актуальным является исследование методов имитации случайных электроэнергетических процессов с заданными числовыми характеристиками, среди которых отметим метод элементных процессов [4], непрерывных дробей [5] и эстафетный [6].

50

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Числовые характеристики. Для нахождения статистических решений требуется имитировать случайный процесс y (t ) с заданными характеристиками. Основные их них: среднее значение yс , среднеквадратичное отклонение σ y (СКО), корреляционная функция K y ( τ ) (КФ). Последняя характеризует степень линейной связи между отдельными ординатами. При аппроксимации электроэнергетических процессов обычно используют экспоненциально-косинусоидальную K y ( τ ) = D y exp {− α τ } cos ω0 τ

(1)

и экспоненциальную КФ K y ( τ ) = D y exp {− α τ } ,

(2)

где D y = σ 2y – дисперсия процесса, α и ω0 – параметры КФ. Поскольку в системах электроснабжения количество потребителей, как правило, велико, процессы изменения электрической нагрузки и параметров ЭМС подчиняются нормальному закону распределения. Современное программное обеспечение. Анализ возможностей модулей статистики таких математических пакетов как Mathcad, Statistica, SMath Studio, MATLAB, показывает, что они обладают функциями для генерации случайных величин и процессов с различными законами распределения, средними значениями и СКО. Однако стандартные функции не позволяют задать желаемый тип КФ и её характеристики. Методы имитации. Перейдем к методам имитации случайных процессов с заданными характеристиками. Суть метода заключается в имитации n независимых (элементных) случайных процессов y1 (t ),.. yn (t ) с известными КФ K y1 (τ), ..., K yn (τ). Элементные процессы суммируют для получения нормального распределения у результирующего процесса

y (t ) = y1 (t ) + y2 (t ) + .. + yn (t ),

(3)

который обладает внутренней недифференцируемостью. Обычно в качестве элементных используют процессы, представляющие собой последовательность из импульсов и пауз. КФ результирующего процесса K y (τ) = K y1 (τ) + K y 2 (τ) + .. + K yn (τ).

51

(4)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Метод непрерывных дробей относится к группе методов, которые основаны на преобразовании белого шума c (t ) . Связь искомого процесса y (t ) и исходного дискретного белого шума описывается при помощи рекуррентно-разностного уравнения, вид которого зависит от вида КФ, а параметры определяются с использованием математического аппарата непрерывных (цепных) дробей. Эстафетный метод относится к группе перестановочных. Он основан на том, что на вид КФ можно повлиять, изменив порядок расположения ординат в реализации процесса. Метод предполагает перестановку, которая напоминает передачу эстафеты, отсюда и название. После перестановки производится расчет и выполняется оценка КФ. Метод позволяет не только сгенерировать новый случайный процесс с заданными характеристиками, но и улучшить качество воспроизведения КФ существующей реализации. Практическая реализация методов имитации предполагает, что результирующий случайный процесс y (t ) представляется в виде решетчатой функции с шагом дискретизации ∆. Результаты имитации. По каждому из рассмотренных методов были сымитированы реализации случайного процесса. При практической реализации использованы нормированные ( D y = 1 о.е.2) КФ вида (1)-(2) и следующие параметры: α = 0,5 о.е., ω 0 = 1, 0 о.е. Шаг дискретизации принят ∆ = 0,1 о.е. Сымитированные процессы с КФ (2) показаны на рис.1 сплошными (кривые 1, 3, 5), а с КФ (1) – пунктирными (кривые 2, 4, 6). При использовании метода элементных процессов использовано n = 10 элементных процессов. Реализации содержат N = 7000÷10000 ординат при использовании методов элементных процессов и непрерывных дробей и N = 1000 для эстафетного метода. Методы непрерывных дробей и эстафетный позволяют задать необходимое количество ординат искомого процесса. Эстафетный метод требует сравнительно большего времени для имитации, поэтому в практической реализации N уменьшено. В методе элементных процессов задать N удается лишь приближенно, поскольку алгоритм предполагает отсечение некоторой части ординат. Оценка качества воспроизведения числовых характеристик случайного электроэнергетического процесса обычно выполняется по КФ, поскольку yс и σ y удается скорректировать после имитации до заданных значений.

52

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

y (t )

y (t )

y (t )

Рис. 1 – Реализации случайного процесса, сымитированные по методу элементных процессов (а), непрерывных дробей (б) и эстафетному (в) КФ случайных электроэнергетических процессов Kɶ ( τ ) , сымитированных при помощи рассмотренных методов, показаны на рис. 2, а для КФ вида (2) и на рис. 2, б для КФ вида (1). Там же показаны и теоретические КФ K ( τ ) . Качество воспроизведения КФ оценим по дисперсии расхождения теоретической K ( τ ) и имитационной Kɶ ( τ ) КФ [5] Dр =

1 N1 ( K (i ) − Kɶ (i )) 2 , ∑ N 1 i =1

(5)

где N1 – количество контролируемых точек КФ. Поскольку наиболее важным является точное воспроизведение КФ в окрестности τ = 0+ , расчет D р проводим на интервале изменения τ от 0 до 10 о.е. Принятому ∆ = 0,1 будет соответствовать N 1 = τ max ∆ = 10 0 ,1 = 100 . Результаты расчетов для исследуемых методов сведены в табл. 1.

53

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 1 – Дисперсия расхождения D р теоретической K ( τ ) и имитационной Kɶ ( τ ) КФ, о.е.2 Метод Вид КФ

Элементные процессы

Непрерывные дроби

Эстафетный

Экспоненциальная

0,001

0,004

0,080

Экспоненциальнокосинусоидальная

0,002

0,001

0,021

Из табл.1 видно, что значения D р малы. Это свидетельствует о высоком качестве воспроизведения КФ при имитации, что также подтверждается визуально по рис. 2. Наибольшее значение D р = 0,021 соответствует эстафетному методу. Он же из трех рассмотренных методов является наиболее требовательным ко времени имитации, поскольку производит расчёт КФ после каждой перестановки.

K (τ), Kɶ (τ)

τ, о.е.

K (τ), Kɶ (τ)

τ, о.е.

Рис. 2 – Нормированные КФ имитационных реализаций случайного процесса: экспоненциальная (а) и экспоненциально-косинусоидальная КФ (б)

54

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Существенной особенностью эстафетного метода, является его возможность улучшить качество воспроизведения КФ существующей реализации случайного процесса. Для получения максимальной точности воспроизведения КФ следует сначала использовать метод элементных процессов или непрерывных дробей, а после попробовать повысить точность с помощью эстафетного метода. Выводы 1. Метод элементных процессов, непрерывных дробей и эстафетный метод обеспечивают высокое качество воспроизведения числовых характеристик при имитации случайного электроэнергетического процесса.

2. По затратам времени на имитацию более выгодными являются методы элементных процессов, непрерывных дробей.

3. Эстафетный метод целесообразно применять для повышения качества воспроизведения корреляционной функции случайного электроэнергетического процесса, используя его совместно с методами элементных процессов и непрерывных дробей.

Перечень ссылок 1. Каялов, Г.М. Теория случайных процессов и расчет нагрузок заводских электрических сетей / Г.М. Каялов // Изв. вузов. Электромеханика. − 1961.− № 11. − С. 65-81.

2. Кузнецов, В.Г. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения / В.Г. Кузнецов, Э.Г. Куренный, А.П. Лютый. – Донецк : Норд-Пресс, 2005. − 250 с.

3. Надтока, И.И. Расчёты электрических нагрузок жилой части многоквартирных домов с электрическими плитами, основанные на средних нагрузках квартир / И.И. Надтока, А.В. Павлов // Изв. вузов. Электромеханика. – 2014. – №3. – С.

36-39.

4. Куренный, Э.Г. Статистическое моделирование нормальных случайных процессов в заводских электрических сетях / Э.Г. Куренный, Е.Н. Дмитриева // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1977. − №5. − С. 128-140.

5. Карташов, В.Я. Цифровое моделирование стационарных случайных процессов с заданной корреляционной функцией на основе метода непрерывных дробей / Карташов В.Я., Новосельцева М.А. // Управление большими системами. Выпуск 31. – М.: ИПУ РАН, 2010г. с 49-91.

6. Куренный, Э.Г. «Эстафетный» метод имитации случайных электроэнергетических процессов / Э.Г. Куренный, Н.Н. Погребняк // Техническая электродинамика. – 1990. − №3. – С. 3-6.

55

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ДОПУСТИМОСТИ АСИНХРОННОГО РЕЖИМА В ДВУХМАШИННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С.А. Гришанов, Д.А. Свищенков ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье проанализировано использование аналитической методики оценки допустимости асинхронного режима по межсистемным связям. Выполнено моделирование особых ситуаций возникновения асинхронного режима в двухмашинной системе для подтверждения аналитических положений данного метода. Проанализированы полученные результаты. Ключевые слова: оценка допустимости, асинхронный режим, моделирование, двухмашинная система.

The article analyzes the use of an analytical methodology for assessing the admissibility of the asynchronous mode by intersystem connections. The simulation of special situations of the asynchronous mode in a two-machine system to confirm the analytical provisions of this method.

Analyzed the results.

Key words: admissibility estimation, asynchronous mode, modeling, two-machine system. Актуальность Реорганизация структуры современных электроэнергетических систем (ЭЭС) [1], а также появление значительной доли возобновляемых источников энергии [2] усложняет управление режимами работы ЭЭС в том числе и в аварийных ситуациях. В советской и зарубежной литературе приведено достаточно много различных решений связанных с решением многих из этих проблем [3]. Также в [4-5] изложены результаты разработок по управлению режимами работы электрических систем в аварийных ситуациях. В современных условиях большое значение приобретают режимы работы электрических систем, связанные с большими отклонениями угловой скорости роторов генераторов от синхронного значения (асинхронные режимы). Причинами появления асинхронного режима отдельного генератора или части системы могут быть разные. Его может вызвать потеря возбуждения отдельного генератора, нарушение динамической устойчивости после резкого возмущения или нарушение статической устойчивости перегруженной системы при малом возмущении [6].

56

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Следует отметить, что повышение надежности работы современных энергосистем непосредственно связано с использованием кратковременных асинхронных режимов. Применение таких режимов в практике эксплуатации энергосистем требует решения ряда задач. К основным задачам можно отнести следующие: определение условий и критериев допустимости асинхронных режимов; исследование успешной ресинхронизации и сокращение продолжительности асинхронного режима по межсистемной связи; определения управляющих воздействий, которые способствовали бы ресинхронизации или обеспечивали ее. В советский период были разработаны мероприятия по использованию асинхронного режима, как средства повышения надежности и живучести энергосистемы [6-8]. В современных условиях актуальным является оперативное выявление условий, допускающих кратковременный асинхронный режим по межсистемным связям. Все это способствует актуализации задач, связанных с расчетами и анализом асинхронных режимов в электрических системах. Общие положения. Разработанный в [5] экспресс-метод предназначен для оценки допустимости асинхронного режима. Он позволяет предварительно, без расчета квазиустановившегося асинхронного режима, оценить по параметрам схемы (комплексная проводимость) и исходного доаварийного режима (параметры режима): - соотношение между средним значением реактивной мощности в квазиустановившемся режиме и реактивной мощности в исходном режиме; - вероятность возникновения дефицита реактивной мощности; - изменение частоты в подсистемах; - уровни напряжений в разных частях системы. Разработанный метод проверен на примере двухмашинной энергосистемы, объединенной слабой связью с промежуточным отбором мощности (возможно несколько узлов отбора мощности). В тоже время, предложенный метод основан на ряде допущений: - нет учета динамической характеристики регулятора скорости; - нет учета зависимости мощности (момента) от частоты и инерционности автоматики регулирования частоты; - нагрузка представлена постоянными сопротивлениями; - генераторы представлены моделями простейшего вида. Некоторые из этих допущений, как показывают разработки [911], привносят значительные погрешности в результаты моделирования в первую очередь асинхронных режимов. Поэтому задача данной работы применение методики оперативной оценки допустимости

57

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

асинхронных режимов при использовании сложных моделей генератора является актуальной. Цель работы – адаптация аналитической методики определения средних значений режимных параметров при установившемся асинхронном режиме по слабым межсистемным связям на примере моделирования двухмашинной системы с генераторами, представленными более сложными моделями. Исследование. Исследование проводится на примере экспериментальной электроэнергетической системы типа «двухмашинного эквивалента», которая приведена на рис.1. 0,756 − j 0,843 0,291 − j 0,765 Y =   0, 291 − j 0,765 0,647 − j 0,92 

Т1 Г1

ТГВ-300 xd = 2,19

rт1 = 0,0005 xт1 = 0,0275

1

3

2

Л1

Л2

rл1 = 0,0031 xл1 = 0,0174

rл2 = 0,0031 xл2 = 0,0174

SН1=140+j10

Т2

SН3=100+j10

rт2 = 0,001 xт2 = 0,044

SН2=140+j30

Г2

ТГВ-200 xd = 1,9

Рис. 1 – Схема исследуемой электроэнергетической системы Данную электрическую систему можно описать матрицей проводимостей (см. рис. 1), которая была получена на основании известных методик, описанных в [6]. Как было показано в [12] на характер протекания АР в значительной мере влияет исходный доаварийный режим, в частности распределение нагрузки между генераторами в ЭЭС. Вследствие этого проведем исследование для нескольких различных вариантов режима работы генераторов Г1 и Г2. В соответствии с положениями, описанными в [4-5], выводы о допустимости возможного асинхронного режима в электрической системе можно оценить при помощи областей, которые характеризуют изменение параметров этого режима. Области строятся отдельно для каждого из генераторов ЭЭС на основании параметров исходной схемы и установившегося режима, для трех параметров: скольжения, реактивной мощности и напряжения. Из анализа можно сделать вывод, что области скольжений характеризуют, возможный характер изменения скольжения и среднего значения активной мощности. Зона AS характеризуется повышением частоты и снижением генерации активной мощности при асинхронном режиме. При этом в зоне CS наблюдается обратный характер изменения параметров, снижение частоты и повышение активной мощности. Если исходный угол лежит в области исходных режимов BS, то

58

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

частота системы может повышаться (если М T > M ) или снижаться (если М T < M ) или же практически не меняться (если М T ≈ M ), где М T , M – момент турбины и собственный момент системы. Границы этих зон скольжения характеризуются следующими неравенствами: ϕ12 − arccos J1 max (C1 ) < δ120 < ϕ12 + arccos J1 max (C1 ) ; ϕ12 −180° − arccos J 1max (C1 ) < δ120 < ϕ12 −180° + arccos J 1max (C1 ) ; − 180° + ϕ12 + arccos J 1max (C1 ) < δ120 < ϕ12 − arccos J 1max (C1 ) ; − 180° + ϕ12 − arccos J 1max (C1 ) < δ120 < ϕ12 + arccos J 1max (C1 ) . где φ12 – аргумент взаимной проводимости Y12 между подсистемами;

C1 – амплитуда первой гармоники взаимного угла; J1max(C1) – максимальное значение функции Бесселя первого рода от действительного аргумента C1 величина J1(C1) достигает максимума J1max(C1) = 0,6 при = 1,65 рад, что соответствует 112°; отсюда arccosJ1max(C1) ≈ 53,17° по [4]. Соотношения между средним значением реактивной мощности в квазиустановившемся асинхронном режиме и ее значением в доаварийном режиме характеризуют области, построенные по следующим неравенствам: ϕ12 − υ Q − arccos J 1max (C1 ) < δ120 < ϕ12 − υ Q + arccos J 1max (C1 ) ; ϕ12 − υ Q − 180° − arccos J 1max (C1 ) < δ120 ; δ120 < ϕ12 − υ Q − 180° + arccos J 1 max (C1 ) − 180° + ϕ12 − υ Q + arccos J 1max (C1 ) < δ120 < ϕ12 − υ Q − arccos J 1max (C1 ) ; − 180° + ϕ12 − υ Q − arccos J 1max (C1 ) < δ120 < ϕ12 − υ Q + arccos J 1max (C1 ) ,

1 + 2 X d 1Y11 sin ϕ11 .

2 X d 1Y11 cos ϕ11 Y11 – собственная проводимость подсистемы; φ11 – аргумент собственная проводимость Y11; xd – продольное индуктивное сопротивление генератора. При попадании исходного режима в зону АQ средний уровень реактивной мощности возрастает по сравнению с исходным доавариным значением, а в зоне СQ наоборот сопровождается снижением среднего значения реактива. В зоне BQ это соотношение зависит от параметров вынужденных колебаний.

где υ Q = arctg

59

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Снижение или повышение напряжения при установившемся асинхронном режиме характеризуют области напряжения, построенные по неравенствам: ϕ12 − υU − arccos J 1max (C1 ) < δ120 < ϕ12 − υU + arccos J 1max (C1 ) ; ϕ12 − υU + 180° − arccos J 1max (C1 ) < δ120 < 180 ; ϕ12 − υU + arccos J 1max (C1 ) < δ120 < 180 + ϕ12 − υU − arccos J 1 max (C1 ) ; − 180 < δ120 < −180 − υU + arccos J 1max (C1 ) ; − 180° + ϕ12 − υU + arccos J 1max (C1 ) < δ120 < ϕ12 − υU − arccos J 1max (C1 ) , 1 + X d 1Y11 sin ϕ11 где υU = arctg .

X d 1Y11 cos ϕ11 Получение неравенств для построения указанных зон более подробно расписано в [4]. По приведенным выражениям и параметрам исходного режима в полярной системе координат для генераторов Г1 и Г2, были построены области по скольжению и реактивной мощности, которые приведены на рис. 2. На рисунках, для большей наглядности, зоны A выделена зеленым цветом, зоны С – красным, а зоны B – синим цветом. Параметры рассматриваемых режимов приведены в табл. 1.

Таблица 1 – Параметры рассматриваемых исходных режимов Режим

1 Г1

2 Г2

Г1

3 Г2

Активная 286,1 30 163,6 152 мощность P, МВт Реактивная 33,08 60 23,56 61 мощность Q, Мвар Напряжение на 20 16,12 20 16,9 выводах U, кВ Начальный 56,18 8,85 41,95 37,95 угол δ, о.е. Зона по реактивной AQ BQ AQ AQ мощности Зона по AS BS BS BS скольжению

Г1

4 Г2

Г1

5 Г2

Г1

Г2

255,9 60 115,9 200

144 188,5

-9,08 100 29,25 60

15,1 76,15

20 16,61 20 16,04 20,58 16,71 59,72 13,88 31,7

46 39,31 41,95

AQ

BQ

AQ

AQ

AQ

AQ

AS

BS

BS

BS

BS

BS

Исходя из описанных теоретических положений, проанализируем полученные данные. В первом рассматриваемом режиме генератор Г1 попадает в зону А, как по реактивной мощности, так и по скольжению, следовательно, в асинхронном режиме должен наблюдаться рост реактивной мощности и снижение активной, а также рост скольжения.

60

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 2 – Зоны характеризующие протекание АР а – зоны скольжения Г1; б - зоны скольжения Г2; в – зоны реактивной мощности Г1; г – зоны реактивной мощности Г2 Генератор Г2 попал в области BS и BQ, что соответствует снижению реактивной мощности. Кроме того, согласно теоретически положениям глубоких снижений напряжения в системе наблюдаться не должно. Во втором режиме оба генератора попали в зоны АQ и BS, следовательно, они имеют достаточный запас реактивной мощности, это в свою очередь обеспечит мягкое протекания асинхронного режима. В третьем режиме характер протекания процессов при установившемся асинхронном режиме аналогичны режиму 1, характер протекания процессов для четвертого и пятого режимов должны быть аналогичны второму случаю. Для оценки справедливости предлагаемого метода проведем моделирование аварийной ситуации, вызванной длительным двухфазным КЗ в узле 3 с последующим появлением асинхронного режима.

61

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рассмотрим, как изменяются активные и реактивные мощности генераторов во времени. Полученные результаты сопоставим с теоретическими положениями предлагаемой методики. Результаты моделирования приведены в виде графических зависимостей на рис. 3-7.

Рис. 3 – Графики изменения активных и реактивных мощностей генераторов (режим 1)

Рис. 4 – Графики изменения активных и реактивных мощностей генераторов (режим 2)

62

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Однако характер асинхронного режима (4 случай) в значительной степени отличается от выводов, сделанных согласно теоретическим положениям. Вопреки попаданиям исходных режимов генератора Г2 в зону AQ при моделировании наблюдается значительное снижение генерации реактивной мощности в сравнении с исходным режимом. Так же можно наблюдать снижение активной мощности генератора Г1, не смотря на то что его исходный режим лежит в зоне BS. Как видно выводы, сделанные на основании построенных зон для режимов 1-3 и 5, соответствуют результатам, полученным при моделировании соответствующих режимов.

Рис. 5 – Графики изменения активных и реактивных мощностей генераторов (режим 3) Выводы В заключении можно сделать такие выводы: - применение данного метода оперативной оценки допустимо для ряда режимов, что подтверждено результатами моделирования; - данный метод экспресс оценки делает ряд допущений, которые в значительной мере могут повлиять на результаты анализа и данный метод не всегда может гарантировать точности полученных результатов для реальных ситуаций. Вследствие этого рассмотренный метод требует ряда уточнений и доработок, которые бы учитывали динамические свойства системы и регуляторов, возможного вида и длительности повреждения более точного учета режима работы генераторов.

63

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 6 – Графики изменения активных и реактивных мощностей генераторов (режиме 4)

Рис. 7 – Графики изменения активных и реактивных мощностей генераторов (режим 5)

64

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок 1. Обоснование развития электроэнергетических систем: Методология, модели, методы, их использование / [Н.И. Воропай, С.В. Подковальников, В.В. Труфанов и др.; Отв. ред. Н.И. Воропай.] – Новосибирск: Наука, 2015. – 448 с.

2. Возобновляемые источники энергии: Теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика / под ред. З.А. Стычинского, Н.И. Воропай. Магдебург: MAFO, 2010. 223 с.

3. Интеллектуальная система для предотвращения крупных аварий в энергосистемах / [Н.И.Воропай, М.Негневицкий, Н.В.Томин, Д.А.Панасецкий и др.] // Электричество, 2014, №8, С. 19-31.

4. Исследование параметров асинхронного режима межсистемной связи / [И.В. Литкенс, В.И. Пуго, С.Д. Станчев, A.M. Гусейнов] // -Электричество, 1981, № 9, С.13-20.

5. Гусейнов А.М. Метод оперативной оценки допустимости асинхронных режимов по межсистемной связи / А.М.Гусейнов // - Электричество, 1990, № 8, С. 2-12.

6. Венников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах / В.А.Венников. М.: Высш. шк, 1988.

7. Коган Ф.Л. Анормальные режимы мощных турбогенераторов / Коган Ф.Л. Коган - М.: Энергоатомиздат, 1988.- 192 с.

8. Хачатуров А.А. Несинхронное включение и ресинхронизация в энергосистемах / А. А Хачатуров.- М.: Энергия, 1969.

9. Заболотный И.П. Анализ моделей турбогенераторов для исследования анормальных режимов работы. / И.П.Заболотный, С.А.Гришанов // Вісник Кременчуцького державного полiтехнiчного інституту №2(25), Кременчуг, 2004г. – C. 174-177.

10. Заболотный И.П. Анализ методов формирования моделей генератора в компьютерных программах имитационного моделирования режимов электрических систем / И.П. Заболотный, С.А. Гришанов // Научные труды ДонНТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 11 (186). – Донецк, 2011. – С.150-153.

11. Гришанов С.А. Анализ математических моделей генератора для исследования асинхронных режимов / С.А. Гришанов // Завалишинские чтения’17: сб. докл. / СПб.: ГУАП, 2017. – С. 135 – 139.

12. Гришанов С.А. Исследование влияния устройств противоаварийной автоматики на допустимость асинхронного режима в электрических системах / С.А. Гришанов, Д.А. Свищенков // IV Международный научный форум. Том2. Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. / Донецк.: ДонНТУ, 2018. – С. 44-50.

65

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62-57, УДК 621.3

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ О.Е. Новикова, А.В. Лавшонок ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Проведены исследования различных законов управления тиристорным регулятором напряжения в среде Simulink MATLAB. Предложен способ устранения колебаний при плавном пуске двигателя. Ключевые слова: законы управления, тиристорный регулятор напряжения, плавный пуск, колебания, обратная связь, датчик тока, угол управления.

Various control laws for thyristor voltage regulator in Simulink MATLAB are researched. A method for eliminating oscillations during engine soft-start is proposed.

Keywords: laws of control, thyristor voltage regulator, soft start, oscillations, feedback, current sensor, angle of control. На современном этапе развития промышленности для пуска шахтных ленточных конвейеров все чаще применяются системы плавного пуска. При плавном пуске АД на холостом ходу с помощью устройства плавного пуска (УПП) выявлено, что напряжение на тиристорном модуле имеет колебательный характер. Все это отрицательно влияет на двигатели и остальное оборудование в случае его подключения. Происходит механический износ элементов и перегрев в результате высоких скачков тока. Поэтому необходимо определить причины возникновения колебательных процессов и найти способ их устранения. Целью исследований является повышение эффективности эксплуатации ленточных конвейеров, оснащенных системой плавного пуска, за счет применения рациональных алгоритмов управления полупроводниковыми ключами трехфазного регулятора напряжения. Устройство плавного пуска – это устройство, которое применяется для плавного пуска электродвигателей путем регулирования величины напряжения, подводимого к обмоткам двигателя. Назначение УПП заключается в плавном разгоне и снижении пусковых токов и момента. Принцип действия УПП состоит в том, что плавное повышение напряжения до Uном достигается посредством изменения угла отпира-

66

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ния тиристоров. Двигатель, постепенно разгоняется до номинальной скорости. При таком регулировании не происходит больших скачков тока. Вращающий момент прямопропорционален квадрату напряжения при фиксированной частоте сети. Время пуска двигателя задается программно. Для исследования процессов, протекающих в системе ТРН – АД при пуске, составим ее модель в приложении Simulink пакета Matlab (рисунок 1). Рассмотрим различные законы управления напряжением, подводимого к двигателю.

w

Continuous

M

powergui

Mc

0

Ma

10

Mp

wm Mreak

tout_

Iabc Tm

N

A

InA

OutA

A

B

InB

OutB

B

C

InC

OutC

C

Three-Phase Programmable Voltage Source

SIFU TRN

is_abc

m

m

wm Te

Asynchronous Machine SI Units

Te

Рис. 1 – Модель для исследования работы ТРН-АД Модель для исследования включает в себя: трехфазный источник питания, подсистему СИФУ и ТРН (рисунок 2), АД, блок для создания нагрузки, блок измерений. Блок «Synchronizes 6-Pulse Generator» выполняет функции СИФУ. В нем заданы частота сети 50 Гц, длина импульсов 20° и режим подачи двойных импульсов. Синхронизация с сетью выполнена посредством вольтметров. Изменения угла управления задается при помощи блока «Repeating sequence» от 180° до 0° в течение 10 секунд. Блок «Zero-Order Hold» служит для дискретного изменения угла управления, так как система подачи импульсов – цифровая. Второй эксперимент – это пуск двигателя способом кик-старт. В течение первой секунды α=80°, что соответствует приблизительно 0,8Uном, затем следующие 10 с угол управления будет плавно изменяться от 120° до 60°. При 60° напряжение на выходе ТРН будет рав-

67

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

но номинальному, поэтому регулирование угла α ниже 60° нецелесообразно. g a 1 InA

k

k g

4 OutA

a

g a

k

2 g

InB

k

5 OutB

a

g a 3 InC

g

+ v -

k

Vab Repeating Zero-Order Sequence Hold

+ v -

Vbc Clock 0.02 Constant

<= Relational Operator

k 6 OutC

a

alpha_deg AB pulses BC

+ v -

CA

Vca

Block Synchronized 6-Pulse Generator

Рис. 2 – Модель подсистемы СИФУ-ТРН Третий эксперимент – изменение характеристик двигателя при экспоненциальном законе изменения угла управления. Изменение α от 180° до 60° в течение 8 с. Графики законов управления, изменение угловой скорости и момента, изменение токов статора для каждого режима представлены на рисунках 3, 4 соответственно. Полученные характеристики демонстрируют наличие колебательных процессов после выхода двигателя на номинальную угловую скорость. Кроме того, при изменении угла управления от 180° до 60° наращивание скорости происходит ближе к середине этого диапазона. Поэтому целесообразно регулировать угол управления α вниз от 120°. Поскольку распространенные способы управления плавным пуском не решают поставленную задачу, необходимо искать новый подход. Одно из решений – это установить обратную связь по датчику скорости. Но для данного случая оно не подходит. ДС характеризуются трудоемкостью установки, настройки и высокой стоимостью. Альтернативное решение – обратная связь по току статора. Модель, дополненная ОС по ДТ, представлена на рисунке 5.

68

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ α, ° 180

α, ° 120

120

100

60

80

0

1

2

3

4

5

6

7

8

t, c

t, c 60 0 10

0 9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

α, ° 180

120

60 t, c 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Рис. 3 – Угол управления (линейный закон, кик-старт, экспоненциальный закон) I, A 40

ω, рад/с M, Нм 150

20 100 50

0

0 -20 -50 t, c

t, c -100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-40 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

I, A 80

ω, рад/с M, Нм 150

40

100 50 0

0 -50

-40 t, c

t, c -100

-60

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

10

I, A 40

ω, рад/с M, Нм 150

20

100 0

50 0

-20

-50 t, c -100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t, c -40 0

10

Рис. 4 – Угловая скорость и момент, токи статора (линейный закон, кик-старт, экспоненциальный закон)

69

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Реализация ДТ (рисунок 6) выполнена при помощи блока «DRMS», который вычисляет среднеквадратичное значение входного сигнала тока IA.Сигнал с выхода блока «DRMS» оцифровывается блоками «Zero-Order Hold» и «Quantizer». Величина шага дискретизации данных блоков равна Ts=0,05 с. При помощи блока «Zero-Order Hold» мы получаем текущее значение, а при добавлении блока «Unit Delay» – предыдущее (рисунок 7).

Discrete, Ts = 5e-005 s.

w

powergui

M Mc

0

Ma

10

Mp

tout_

wm Mreak

Clock

Iabc Tm is_abc

DT

A N

B C

OutA

A

OutB

B

OutC

C

m

InA InB

m

wm

Scope

Te

InC

Three-Phase Programmable Voltage Source

Asynchronous Machine SI Units

SIFU TRN

Scope1 Te

Out_DT

Iabc

DT

Рис. 5 – Модель для исследования пуска двигателя при управлении от системы СИФУ-ТРН с ОС по ДТ Zero-Order Hold Quantizer

S-R Flip-Flop

Discrete RMS

<

DRMS 1

1

Iabc

Relational Operator

S

Q

1 Out_DT

R

!Q

z Unit Delay

Рис. 6 – Модель подсистемы датчика тока «DT» Блоком «Relational operator» выполняется сравнение двух сигналов. При условии, что предыдущий сигнал больше текущего – на выходе блока сравнения формируется логическая единица «1», которая фиксируется триггером «S-R Flip-Flop». Это означает, что ток статора достиг наибольшего значения и начинает спадать, следовательно, процесс разгона завершился и двигатель вышел на номинальную скорость.

70

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Сигнал с выхода подсистемы датчика тока поступает в подсистему «SIFU TRN», где значение угла управления устанавливается равным нулю α=0° (рисунок 7). Так как процесс пуска завершен, двигатель преодолел критический момент Мкр и вышел на номинальные параметры, регулирование угла отпирания более нецелесообразно. ω, рад/с M, Нм

12 IДТ, A 10

150

8

100

6

50

4

0

2

-50

t, c 0

0 α, ° 180

1

2

3

4

5

6

7

8

9

t, c -100

10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-40 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

I, A 40

10

20

120 0

60 -20

t, c

0

t, c 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10

Рис. 7 – Оцифрованный сигнал на выходе блока «DRMS» (текущее и предыдущее значение); угол управления α при ОС по Д; угловая скорость и момент при ОС по ДТ; токи статора при ОС по ДТ На графиках имеют место небольшие кратковременные колебания всех электромагнитных величин, которые обусловлены задержкой сигнала ДТ из-за времени дискретизации. Данные колебания возможно устранить при практической реализации системы управления. Выводы В результате исследования модели работы системы СИФУ-ТРН определено, что для устранения колебаний необходимо установить ОС по ДТ и контролировать величину тока с периодичностью 0,05с. Как только ток начнет снижаться – установить угол управления тиристорами α=0°.

Перечень ссылок: 1. Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами. Маренич К. Н. – Донецк: ДонГТУ, 1997 – 64 с.

2. Полунин, А. И. Оптимизация систем управления плавного пуска ленточными конвейерами / А. И. Полунин, А. В. Лавшонок // Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых; сборник научных трудов XVI Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов, 25-26 мая 2016 г., г. Донецк: в рамках 2-го Международного научного форума "Инновационные перспективы Донбасса". – Донецк: ДОННТУ, 2016. – С. 190–193.

71

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.313.32

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСИНХРОННЫХ АПВ ТУРБОГЕНЕРАТОРА ТИПА ТГВ-300 А.М. Ларин, Ю.В. Зудихин, Н.О. Лаврищев ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Оценивается эффективность моделирования электромеханических переходных процессов при несинхронных АПВ в ЭЭС на основе интегрирования дифференциальных уравнений Парка-Горева с использованием многоконтурных эквивалентных схем замещения. На основании многовариантных исследований уточнены существующие критерии допустимости несинхронных включений для турбогенераторов. Ключевые слова: моделирование, несинхронное включение, схема замещения, турбогенератор, допустимость Efficiency of electromechanics transients simulation is estimated at asynchronous autoreclosing in energy system on the basis of Park-Gorev differential equations integration with he use of multiloop equivalent circuit. On the basis of multivariant researches the present criteria of admissibility of the asynchronous switch-on for turbogenerators are adjusted.

Keywords: simulation, multiloop equivalent circuit, asynchronous switch-on, turbogenerator, admissibility Одним из основных требований, предъявляемых к работе электроэнергетических систем (ЭЭС), является обеспечение бесперебойного снабжения потребителей электроэнергией. Поэтому восстановление параллельной работы электрической системы после ее разделения на отдельные несинхронно работающие части должно производиться автоматически с минимально возможными задержками по времени. В практике эксплуатации для этого применяются различные методы повторного включения синхронных генераторов в сеть: способ точной синхронизации; с контролем и улавливанием синхронизма; с самосинхронизацией; без контроля синхронизма или несинхронное АПВ (НАПВ). Внедрению последнего способа способствовали его простота и возможность быстрого восстановления нормальной работы энергосистемы при авариях, сопровождающихся делением на отдельные асинхронно работающие части.

72

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Из определения понятия несинхронных включений следует, что в электрооборудовании системы (в первую очередь в синхронных генераторах) могут возникать значительные токи и электромагнитные моменты, недопустимые по условиям их механической прочности. Основным вопросом при таком способе восстановления нормальной работы является определение условий, при которых НАПВ допустимо для основного оборудования. Исследования несинхронных АПВ, проводимые под руководством А.А. Хачатурова были обобщены и отражены в [1]. Выполненные исследования показали, что ограничивающим фактором всегда является электромагнитный момент. В [1] сформулировано условие допустимости НАПВ по значению периодической составляющей тока несинхронного включения, соответствующего допустимому значению электромагнитного момента. В результате получено основное условие допустимости НАПВ для всех типов синхронных генераторов с учетом возможного повышения ЭДС турбогенератора на 20%: I нс п I ном

≤

0,625 . xd''

(1)

Для случаев, когда повышение ЭДС не происходит, условие допустимости НАПВ для турбогенераторов принимает вид I нс п I ном

≤

0,7 . xd''

(2)

Критический анализ результатов исследований и существующих в настоящее время практических рекомендаций по применению НАПВ, позволил установить следующие их неточности и недостатки. Все выводы и рекомендации получены на основании исследований, выполненных по упрощенным соотношениям для расчета электромагнитных моментов, возникающих при НАПВ. Принятая упрощенная математическая модель генераторов не позволяет учитывать электромагнитные переходные процессы в роторе, изменение скольжения и углового положения ротора после подключения машины к сети. Представление синхронных генераторов значениями сверхпереходных индуктивных сопротивлений соответствует возникновению максимальных значений моментов при углах включения 120 градусов для турбогенераторов. При получении этого значения предполагалось,

73

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

что ротор синхронной машины симметричный, т.е. xd'' = xq'' . Однако известно, что ротор турбогенератора из-за влияния массивных конструктивных элементов обладает динамической несимметрией. Это обстоятельство может изменить условия возникновения максимальных значений электромагнитного момента и требует уточнения, но уже по более полным математическим моделям, учитывающим наличие на роторе демпферных контуров. В [2] делается попытка разработки математической модели для определения условий допустимости применения НАПВ для турбогенератора мощностью 250 МВт. Математическая модель получена в среде прикладного пакета MatLAB с использованием приложения Power Systems. В принятой модели синхронный генератор хотя и учитывает наличие демпферных контуров, однако представляется упрощенно по одному контуру в каждой оси ротора. Следует также отметить, что выполненные в [2] исследования не направлены на уточнение условий допустимости применения НАПВ, а связаны только с проверкой возможности использования пакета MatLAB для анализа электромеханических переходных процессов. Целью настоящей работы является уточнение критериев допустимости применения НАПВ турбогенераторов в конкретных условиях работы электроэнергетических систем на основе интегрирования дифференциальных уравнений Парка-Горева с использованием многоконтурных схем замещения. Исследования проводились для турбогенератора типа ТГВ-300, работающего в блоке с турбиной К-300-240. Турбогенератор имеет следующие параметры: Pном = 300 МВт; S ном = 353 МВА;

U ном = 20 кВ;

Cosϕ ном = 0,85 ;

xd'' = xq'' = 0,195 ;

x2 = 0.238 . Значения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора xσ = 0,17o.e. и сопротивлений взаимоиндукции xad = xaq = 2,02 о.е. были взяты из справочных данных [3]. Величины, характеризующие маховые моменты собственно турбогенератора GD 2 ген и турбины

GD 2 турб были приняты в соответствии с [3] ( GD 2 ген = 31т ⋅ м 2 ; GD 2 турб = 49 т ⋅ м 2 ). Указанные значения маховых моментов использовались для расчета постоянных времени соответственно турбогенератора T jген = 2,17c. турбины T jтурб = 3,42c. и агрегата в целом

74

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

T jагр = 5,59c. Параметры многоконтурных эквивалентных схем замещения по осям магнитной симметрии ротора рассчитывались по экспериментальным частотным характеристикам проводимостей со стороны обмотки статора, полученным на кафедре электрических систем ДонНТУ. Число контуров, отражающих демпферную систему турбогенератора по продольной и поперечной осям ротора из условия погрешности исходной и расчетной частотных характеристик не более 2% составило четыре по каждой оси. На рис.1 приведены зависимости изменения во времени электромагнитного момента, возникающего при включении с углом δ 0 = 120 0 при отсутствии внешних сопротивлений. В [1] утверждается, что при таком начальном значении угла в турбогенераторе будет иметь место максимально возможный электромагнитный момент. На рис.1 и последующих приняты следующие обозначения. Кривая 1 – получена с использованием полных многоконтурных эквивалентных схем замещения. Кривая 2 – получена при представлении ротора полностью симметричным. В этом случае параметры роторных контуров по поперечной оси принимались такими же как и по продольной включая обмотку возбуждения. Кривая 3 – получена при представлении симметричным только массивных элементов ротора. В этом случае по поперечной оси отсутствовал контур, соответствующий обмотке возбуждения. Кривая 4 – получена при расчете с использование одноконтурных схем замещения, полученных по справочным данным. Кривая 5 – получена при расчете внезапного трехфазного короткого замыкания на выводах статора. Отметим, что указанные выше зависимости получены при интегрировании дифференциальных уравнений Парка-Горева. Кривая 6 – получена по упрощенным соотношениям [1]. Как следует из анализа рис.1 на значения электромагнитных моментов оказывает влияние исходная математическая модель генератора. Максимальное значение M 1эл = 19,7o.e. имеет место при использовании полных схем замещения (кривая 1). Он оказался в 1,14 раза (на 12,2%) больше соответствующего момента (кривая 6), рассчитанного по методике А.А. Хачатурова [1]. Значения моментов, полученных на основе других моделей, оказались близкими между собой. Отличие от среднего значения не превышает 2,7%.

75

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 1 – Изменение электромагнитного момента при НАПВ генератора ТГВ-300 ( xвн = 0 ; δ 0 = 120 0 )

Рис. 2 – Изменение электромагнитного момента при НАПВ генератора ТГВ-300 ( xвн = 0 ; углы разные)

На рис.2 приведены зависимости изменения электромагнитного момента во времени при различных углах включения. При использовании полной исходной модели угол включения, при котором возникает наибольший момент, оказался равным δ 0 = 137 0 . При этом увеличилось значение максимального электромагнитного момента на 3,4% и составило M 1эл = 20,4 . В [1] утверждается, что электромагнитные моменты при КЗ и НАПВ оказываются одинаковыми при значении внешнего сопротивления, удовлетворяющего следующему условию: xвн = 1,6 xd'' . Исследования показали, что момент, рассчитанный по полной схеме замещения превышает и в этом случае соответствующее значение при КЗ на 14,8%. Для остальных вариантов это превышение несколько меньше и составляет 8,1%. Таким образом, выполненные исследования показали, что использование упрощенных соотношений для определения электромагнитных моментов приводит к заниженным его значениям по сравнению с точной моделью турбогенератора, основанной на дифференциальных уравнениях и многоконтурных схемах замещения. Поэтому дальнейшие исследования производились для точной и упрощенной [1] моделей турбогенератора ТГВ-300. Исследования позволили установить величину внешнего сопротивления, необходимого для того, чтобы при НАПВ электромагнитный момент не превысил соответствующее значение, возникающее при внезапном трехфазном КЗ. Для

76

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

этого необходимо наличие внешнего сопротивления при возможном повышении ЭДС турбогенератора до 1,2 о.е. равного 0,382 о.е., что составляет xвн = 1,96 ⋅ xd'' . Однако, указанное значение внешнего сопротивления не удовлетворяет условию (1). Таким образом, несмотря на то, что электромагнитный момент при НАПВ не превышает соответствующего значения при КЗ несинхронное АПВ недопустимо. Это связано с тем, что основной критерий (1) получен с коэффициентом запаса примерно в 20%. В соответствии с основным критерием допустимости применения НАПВ (1) величина внешнего индуктивного сопротивления должна составлять xвн = 0,461 . Результаты расчета электромеханического переходного процесса при НАПВ с внешним индуктивным сопротивлением, равным 0,461о.е., представленны на рис. 3

Рис. 3– Изменение электромагнитного момента при НАПВ турбогенератора ТГВ-300 ( xвн = 0,461 ) Как следует из анализа результатов расчета электромагнитный момент при НАПВ в этом случае оказался равным M НАПВ = 4,71 , что меньше соответствующего значения, возникающего при КЗ ( M КЗ = 5,33 ), на 11,6%. Однако существующий циркуляр предусматривает необходимость запаса в 20%. Таким образом основной критерий допустимости применения НАПВ (1) гарантирует не превышение электромагнитного момента, но с запасом только в 10%. С учетом того, что результаты расчета получены по точным математическим моделям турбогенератора, по программе, реализующей интегрирование дифференциальных уравнений, такой запас можно считать достаточным.

77

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выполненные исследования показали, что с учетом возможного повышения ЭДС генератора до значения 1,2 о.е. основной критерий допустимости применения трехфазного НАПВ (1) можно записать в следующем виде, гарантирующем запас в 10%: I нс п

≤

I нс п

≤

0,675 .

(3) I ном xd'' Если заранее известно, что в момент несинхронного включения ЭДС генератора и напряжения системы не будут отличаться более чем на 5%, то можно принять E = U = 1,05 . Выполненные в [1] исследования по упрощенным моделям СМ позволили сформулировать критерий допустимости НАПВ для турбогенераторов при E = U = 1,05 в виде соотношения (2). Для выполнения указанного критерия (2) необходимо наличие внешнего сопротивления, величина которого должна быть равна xвн = 0,39 . Расчеты показали, что при условии E = U = 1,05 и внешнем индуктивном сопротивлении xвн = 0,39 , максимальное значение электромагнитного момента, возникающего при НАПВ на 14,4% меньше соответствующего значения при внезапном трехфазном КЗ на выводах генератора. Дальнейшие исследования показали, что для того, чтобы момент при НАПВ был меньше момента при КЗ примерно на 10%, как это имеет место при НАПВ с учетом возможного повышения ЭДС до значения 1,2 о.е., необходимо наличие внешнего сопротивление xвн = 0,369 . Это соответствует следующему уточненному условию допустимости применения трехфазных НАПВ для турбогенераторов при E = U = 1,05 :

I ном

0,726 . xd''

(4)

Вывод Выполненные исследования несинхронных АПВ турбогенератора типа ТГВ300 показали эффективность математического моделирования электромеханических переходных процессов на основе дифференциальных уравнений ПаркаГорева при использовании сложных эквивалентных схем замещения. Это позволило уточнить существующие критерии допустимости НАПВ для турбогенераторов.

78

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок 1. Хачатуров, А. А. Несинхронные включения и ресинхронизация в энергосистемах. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1977. 176 с.

2. Лесник, В. А. Исследование несинхронных включений генераторов в сеть / В.А. Лесник, Л.А. Мазуренко, Г.М. Федоренко, В.И. Чередник, А.П. Грубой // Техническая электродинамика. – 2009, № 1. – С.32-34.

3. Карапетян, И. Г. Справочник по проектированию электрических сетей / И.Г. Карапетян, Д.Л. Файбисович, И.М. Шапиро / Под ред. Д.Л. Файбисовича. 2-е изд., перераб и доп. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006.- 352 с.

79

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.313.32

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАПВ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ОТДЕЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ А.М. Ларин, Ю.В. Зудихин ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» На основании моделирования электромеханических переходных процессов путем интегрирования дифференциальных уравнений Парка-Горева оценивается эффективность применения несинхронных включений турбогенераторов для ресинхронизации. Даны рекомендации по условиям восстановления синхронного режима в конкретных условия работы синхронной машины. Ключевые слова: моделирование, электрическая система, турбогенератор, несинхронное включение, ресинхронизация.

On the basis of electromechanics transients simulation by Park-Gorev differential equations integration the efficiency of application of turbogenerators asynchronous switch-on is estimated for resynchronization. The recommendation on the conditions of synchronous mode restoration in actual conditions of synchronous machine operation are given.

Keywords: simulation, Park-Gorev differential equations, turbogenerator, resynchronization, synchronous mode restoration. Основное назначение несинхронных автоматических повторных включений (НАПВ) в электроэнергетических системах (ЭЭС) является быстрое восстановление параллельной работы отдельных частей после их разделения путем отключения линии связи. Рассматривая вопрос о необходимости применения устройств для несинхронных АПВ, необходимо оценивать, прежде всего, воздействие токов и электромагнитных моментов, возникающих в электрооборудовании, при которых исключается вероятность механического повреждения. Это обеспечивается выполнением критериев, полученных в [1]. Однако условие допустимости является необходимым, но недостаточным. После включения ЛЭП должно быть обеспечено восстановление синхронной работы частей системы. Только в том случае, когда в результате НАПВ обеспечивается ресинхронизация, его применение является целесообразным. В практике эксплуатации для решения этого вопроса могут быть

80

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

использованы различные данные: экспериментальные исследования в условиях конкретных схем соединений электрических систем; упрощенные соотношения, основанные на обобщенных фазовых траекториях, отражающих энергетические свойства систем; математическое моделирование на основе интегрирования дифференциальных уравнений. Использование обобщенных фазовых траекторий [1] позволяет оценить возможность ресинхронизации после НАПВ в первом цикле без проворотов ротора относительно синхронного поля статора. При этом исходнные данные определяются с большим приближением. Поэтому гарантирование восстановление синхронизма в соответствии с таким подходом должно основываться на запасе в расчетах не менее 25%. Более достоверная оценка возможности осуществления ресинхронизации после НАПВ может быть произведена на основе решения дифференциальных уравнений Парка-Горева для модели синхронного генератора, основанной на многоконтурных схемах замещения, отражающих его динамические свойства. Целью настоящей работы является исследование условий ресинхронизации турбогенераторов после осуществления несинхронных включений. Процесс восстановления синхронного режима генераторов определяется многими факторами. Характер переходного процесса зависит от схемы соединений и исходного режима системы, величины передаваемой мощности до НАПВ, значений угла и скольжения в момент включения. Для выяснения особенностей переходного процесса и формулирования условий ресинхронизации после НАПВ рассматривался случай работы генератора через электропередачу на систему большой мощности. При выборе исходных параметров при проведении исследований были учтены следующие особенности восстановления синхронизма турбогенераторов. Турбоагрегаты имеют относительно быстродействующую систему регулирования скорости. Поэтому за время цикла НАПВ даже при сбросе номинальной нагрузки генераторы увеличивают частоту вращения всего на несколько процентов (6 - 8%). Отметим, что максимальное скольжение для турбогенератора не может превышать значение уставки срабатывания автомата безопасности, которое составляет 10%. При наличии достаточно жесткой связи турбогенераторы допускают применение НАПВ с ограниченными углами. Указанные обстоятельства позволили определить область изменения исходных значе-

81

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ний параметров при исследовании ресинхронизации турбогенератора.

1. Значения мощности в режиме, предшествующем несинхронному включению, изменяются в пределах от 0 до Pном .

2. Значение скольжения в момент подключения генератора к сети изменяется в пределах от 0 до 10%.

3. Углы в момент несинхронного подключения турбогенератора к системе изменяются от 0 до максимально допустимого значения, определенного для различных внешних сопротивлений.

4. Электомеханические переходные процессы и возможность восстановления синхронизма рассматриваются при различных значениях внешних сопротивлений электропередачи, связывающей генератор с шинами системы неограниченной мощности. При этом рассматриваются следующие варианты: - генератор имеет абсолютно жесткую связь с системой ( xвн = 0 ); - генератор работает в блоке с трансформатром ( xвн = xтр ); - генератор связан с системой через трансформатор и линию электропередачи. В этом случае xвн = 0,461 , что соответствует условию допустимости НАПВ при любых значениях углов ( δ 0 = 120 0 − 1350 ). Исследования проводились для турбогенератора ТГВ-300, имеющего следующие параметры: Pном = 300 МВт; S ном = 353 МВА; U ном = 20 кВ;

Cosϕном = 0,85 ;

xd'' = xq'' = 0,195 ;

xσ = 0,17 ;

xad = xaq = 2,02 ; x2 = 0.238 . Механические постоянные времени, рассчитанные по значениям маховах моментов, оказались равными: для турбогенератора T jген = 2,17c , турбины T jтурб = 3,42c и агрегата в це-

лом T jагр = 5,59c . Параметры многоконтурных эквивалентных схем замещения по осям магнитной симметрии ротора рассчитывались по экспериментальным частотным характеристикам проводимостей со стороны обмотки статора. Для случая отсутствия внешних сопротивлений рассматривались переходные прцессы при изменениия скольжения от 0 до 10%. Углы в момент НАПВ принимались либо равными нулю, либо максимально допустимыми ( δ 0 доп = 300 ). Активная мощность при исследованиях изменялась в пределах от 0 до Pном . При исследованиях определялись значения активной мощности, скольжения и угла в момент насинхронного включения, необходимые для обеспечения ресинхронизации в первом цикле без проворотов ро-

82

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

тора относительно синхронно вращающегося поля статора. Успешность или срыв ресинхронизации оценивалась на основе фазовых траекторий, отражающих зависимость изменения скольжения от угла. На рис.1. приведены фазовые траектории для случаев, когда втягивание генератора в синхронизм обеспечивается непосредственно после НАПВ без асинхронного хода.

Рис. 1 - Фазовые траектории при восстановлении синхронизма ТГ ТГВ-300 в первом цикле ( xвн = 0 )

Риc. 2 - Фазовые траектории при восстановлении синхронизма ТГ ТГВ-300 после проворотов ротора ( xвн = 0 )

Из анализа рис.1 следует, что с увеличением скольжения в момент НАПВ при одном и том же значении мощности увеличивается макимальная величина угла, на которую отклоняется ротор в переходном режиме (кривые 1 и 2). Увеличение мощности в предшествующем включению режиме соответствует большему значению угла после ресинхронизации. Выполненные исследования позволили установить, что при отсутствии внешних сопротивлений восстановление синхронизма возможно даже при номинальной активной мощности генератора. При этом значение скольжения не должно превышать 8,5%. Ресинхронизация происходит в первом цикле качаний. При большем значении скольжения втягивание в синхронизм вообще не происходит. На рис.2 представлены фазовые траектории, при условиях, когда восстановление синхронизма наступает после некоторого асинхронного хода. Из анализа результатов, представленных на рис.2, следует, что в зависимости от исходных параметров ресинхронизация может произойти не только непосредственно после несинхронного включения (кривая 1), но также после нескольких проворотов ротора. Увеличение значения скольжения в момент НАПВ при активной мощности, равной 0,9 от номинальной приводит к увеличению числа циклов качаний при ресинхронизации. При указанной мощности восстанов-

83

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ление синхронизма происходит после девяти проворотов ротора даже при включении генератора, работающего с максимально допустимым скольжением 10% (кривая 5). Таким образом при наличии абсолютно жесткой связи всегда обеспечивается ресинхронизация после НАПВ. Выполненные исследования по оценке условий допустимости применения НАПВ (см. статью «Исследование несинхронных АПВ турбогенератора типа ТГВ-300» в настоящем сборнике) показали, что при работе турбогенератора ТГВ-300 в блоке с трансформатором, максимальный угол при котором электромагнитный момент не првышает значения, возникающего при трехфазном КЗ составляет 450 . Наличие внешнего сопротивления в цепи обмотки статора генератора приводит к снижению развиваемого синхронной машиной электромагнитного момента и, как следствие, к уменьшению величины скольжения ротора по сравнению с работой генератора непосредственно на шины неограниченной мощности. Так при P0 = 0,9 Pном ресинхронизация возможна только при условии, что скольжение в момент включения не превышает 6,9% для δ0 = 450 . Отметим, что при отсутствии внешних сопротивлений максимальное значение скольжения составляло 8,5%. Исследования, выполненные для P0 = 0,9 Pном , показали, что втягивание в синхронизм возможно только в первом цикле, т.е. без асинхронного хода. При несинхронном включении со скольжением более 6,9% ресинхронизация не наступает вообще. Уменьшение угла в момент НАПВ проявляется, как и при отсутствии внешних сопротивлений, в снижении максимально допустимого скольжения. Так при δ0 = 0 0 восстановление синхронизма наступает при скольжении не более 6,5%, т.е. почти на 6% меньше по сравнению с δ0 = 450 . Это может быть объяснено тем, что при меньшем угле включения снижается развиваемый турбогенератором электромагнитный момент. Такие же результаты получены для исходных мощностей не более 0,8 от номинальной активной мощности турбогенератора. В соответствии с [1] расчеты показали, что для турбогенератора ТГВ-300 несинхронное включение допустимо при наличии внешнего сопротивления, равного 0,461 о.е. при угле δ 0 = 137 0 . Выполненные для указанных условий исследования при различных значений мощности в исходном режиме показали, что восстановление синхронизма после НАПВ возможно только для значений мощностей, не превышающих 65% от номинальной. При этом ресинхронизация наступает только в первом цикле при скольжении не более

84

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1,7%. Для отрицательного значения скольжения восстановление синхронного режима возможно при s = −2,5% . При разгрузке турбины до величины равной 0,2 от номинального значения ресинхронизация наступает при значениях скольжений от 0 до 7%. Восстановление синхронизма наступает так же при любом отрицательном скольжении. В засимости от величины скольжения ротора втягивание в синхронизм наступает либо непосредственно после НАПВ, либо после нескольких проворотов. Сопоставительный анализ результатов, полученных для различных скольжений, показывает, что при положительном скольжении ресинхронизация наступает после большего числа проворотов ротора. Так например, для s = 6% восстановление синхронизма наступило только после 12 проворотов. При этом время втягивания в синхронизм существенно зависит от исходного скольжения, изменяясь в пределах от 4с до 10с. Энергетические свойства системы можно достаточно наглядно проанализировать на основании совместного рассмотрения изменения скольжения и избыточного момента на валу ротора исследуемого турбогенератора в функции угла. При этом избыточный момент определяется следующим соотношением: ∆M = M T − M ЭЛ . На рис. 3 представлены зависимости изменения скольжения ротора и избыточного момента на валу турбоагрегата в функции углового положения ротора при значении активной мощности до НАПВ равной 0,2 от номинальной. Из рис.3 видно, что в момент осуществления несинхронного АПВ со скольжением s = 3% на валу агрегата свозникает отрицательный (тормозной) избыточный момент. В результате ротор начинает тормозиться и, следовательно, скольжение уменьшается. До тех пор пока скольжение остается положительным (частота вращения ротора выше синхронной) угол увеличивается. Известно, что относительная скорость (скольжение) зависит от избыточной кинетической энергии на валу. Поэтому снижение скольжения до нуля соответствует отсутствию на валу избыточной кинетической энергии. На рис. 3 видно, что при достижении ротором критического значения угла, примерно в 180 град., скольжение стало равным нулю. Это является необходимым условием втягивания в синхронизм. Поскольку скольжение стало равным нулю при критическом значении угла 180 0 , то это свидетельствует о том, что начальное значение скольжения s = 3% является максимально допустимым для обеспечения ресинхронизации в первом цикле.

85

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 3 – Изменение скольжения и избыточного момента на валу при ресинхронизации турбогенератора ТГВ-300 (s = 3%)

Рис. 4 – Изменение скольжения и избыточного момента на валу при ресинхронизации турбогенератора ТГВ-300 (s = 3,1%)

На рис.4 приведены результаты моделирования переходного процесса при несинхронном включении со скольжением s = 3,1%. Для этого случая видно, что при обращении в нуль избыточного момента ротор еще имеет избыточную кинетическую энергию ускорения, пропоциональную скольжению и процесс увеличения угла продолжается за счет этой энергии. Одновременно знак избыточного момента изменяется и становится положительным (ускоряющим). В результате интенсивность изменения угла увеличивается, и, следовательно, восстановления синхронного режима в первом цикле не произошло. После одного проворота ротора на 1800 изменился знак избыточного момента и ротор начал томозиться. В момент, когда скольжение стало равным нулю на вал агрегата уже действовал момент тормозного характера. Произошла ресинхронизация во втором цикле качаний ротора. Выводы 1. Выполненные исследования для турбогенератора типа ТГВ-300 показали эффективность математического моделирования электромеханических переходных процессов на основе дифференциальных уравнений Парка-Горева с использованием сложных эквивалентных схем замещения для оценки возможности ресинхронизации синхронного генератора после осуществления несинхронного включения.

2. При наличии жесткой связи генератора с системой восстановление синхронизма происходит даже при значении номинальной активной мощности. Несинхронное включение в этом случае необходимо производить с ограниченными величинами угла и скольжения.

3. Для связи, для которой обеспечивается допустимость НАПВ при любых значениях углов должна быть осуществлена предварительная разгрузка турбо-

86

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

агрегата как минимум на 35%.

Перечень ссылок 1. Хачатуров, А. А. Несинхронные включения и ресинхронизация в энергосистемах. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1977. 176 с.

87

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.314

РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЦИФРОВОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА STM32F407VET А. А. Шиянов, А. А. Назим, Д. Н. Мирошник ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» В работе рассмотрен вариант разработки лабораторного стенда тиристорного преобразователя постоянного напряжения с цифровой системой импульсно-фазового управления(СИФУ) на базе микроконтроллера STM32F407VET и произведена проверка работоспособности стенда на активную нагрузку. Ключевые слова: тиристорный преобразователь, устройство синхронизации с сетью, усилитель мощности, СИФУ, микроконтроллер.

This work considers the development of laboratory bench of thyristor DC converter with a digital system of pulse-phase control (PFC) based on the STM32F407VET microcontroller and a test of the stand's operation with an active power load.

Keywords: thyristor DC converter, network synchronization device, power amplifier, PFC, microcontroller. В настоящее время все больше внимания уделяется разработке и развитию полупроводниковых преобразователей с микропроцессорным управлением (так называемые встраиваемые системы), для регулирования тока, момента, скорости и положения электродвигателя постоянного тока. На территории Донецкой области тиристорный электропривод широко применяется для управления главными приводами экскаваторов, подъемно-транспортных и других машин по системам тиристорный возбудитель-генератор-двигатель (ТВ-Г-Д), тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д) в большом диапазоне мощностей. Тиристорный электропривод изучается на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» в ряде дисциплин: «Силовые преобразователи автоматизированных электроприводов», «Элементы автоматизированного электропривода», «Системы управления электроприводами» и т.д. Поэтому актуальной является задача

88

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

разработки лабораторного стенда для изучения современных подходов в реализации цифровой системы управления. Существуют разные готовые решения в этой области [1,2]. Они характеризуются высокой стоимостью и сложностью установки. Данная работа является продолжением исследований, которые опубликованы в [3,4]. Цель работы – разработать лабораторный стенд тиристорного преобразователя постоянного напряжения с цифровой системой управления на базе микроконтроллера STM32F4VET для проведения лабораторных и практических занятий студентов. На базе кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» был создан лабораторный стенд, функциональная схема которого приведена на рис. 1. Благодаря функциональным возможностям стенда студенты и преподаватели могут исследовать влияние характера нагрузки на работу преобразователя, изучать возможности работы цифровой системы импульсно-фазового управления (СИФУ). В дальнейшем планируется синтезировать замкнутую систему подчиненного регулирования для электропривода постоянного тока.

Рис. 1 – Функциональная схема стенда Функциональная схема состоит из: УМ – усилитель мощности, БСК – блок силовых ключей (тиристоров), собранных по трехфазной мостовой схеме, УС – устройство синхронизации с сетью, ПК – персональный компьютер, БП – блок питания, UART - универсальный

89

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

асинхронный приёмопередатчик, T – трансформатор (тип ТТ 0.63) 380/90 В и плата микроконтроллера STM32F407. На функциональной схеме УС определяет переходы сетевого напряжения через ноль; микроконтроллер платы STM32F407 выполняет роль системы импульсно-фазового управления [5], структурная схема модели которой изображена на рис. 2., УМ – усиливает импульсы управления тиристорами и осуществляет гальваническую развязку силовых и управляющих цепей; БСК – силовая часть, в которой предусмотрен теплоотвод от тиристоров с помощью радиаторов, осуществлены защиты от перенапряжений тиристора, защита от аварийных токов и защита цепи управляющего электрода. ПК используется для управления углом отпирания тиристоров во время работы преобразователя через интерфейс UART на микроконтроллере [6]. А

УС1

1

VS1

impulse To Workspace

УС2

В

УС

UУС

U ГОН

U ГОН UК

УС3

С

140

U ФИ

ФИ

a

К

Constant1

Constant2

3

VS3

4

VS4

БОУ

impulse2 To Workspace2

РИ

a0

impulse1 To Workspace1

UУС Out2

Uy

5

VS2

UФИ Out1

Uy

ГОН УС

UК

5

impulse3 To Workspace3

2

VS5

6

VS6

impulse4 To Workspace4

2 имп

impulse5 To Workspace5

Рис. 2 –Модель трехфазной СИФУ в пакете Matlab Как видно из рис. 2 на СИФУ приходит 3 сигнала синхронизированных с сетью, которые заходят в подсистему УС. В подсистеме УС сигналы комбинируются в одну шину и в подсистеме ГОН генерируют пилообразный сигнал. Далее в подсистеме К пилообразный сигнал сравнивается с опорным напряжением, которое генерирует подсистема БОУ из заданных значений углов открытия тиристоров. Подсистема ФИ формирует короткие импульсы управления (длительностью 400 мкс), а РИ распределяет сигналы ФИ на импульсы анодной и катодной групп тиристоров. В подсистеме 2ИМП реализован алгоритм повторения управляющих импульсов через 600. На рис 3 изображены результаты работы СИФУ.

90

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, Uvs1

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 1

Uvs4 Uvs3

Uvs2

0.5 0 1 0.5 0 1 0.5 0 1

Uvs6

Uvs5

0.5 0 1 0.5 0 1 0.5 0 0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

t, c

Рис. 3 – Результаты работы СИФУ На рис. 4 приведены осциллограммы работы УС (красный цвет) и непосредственно импульсы управления с частотным заполнением 40 кГц (синий цвет) тиристорами преобразователя на холостом ходу.

а) б) Рис. 4 – Осциллограммы напряжений: а) импульс управления тиристора, равного 5°, и сигнал УС; б) импульс управления тиристора, равный 90°, и сигнал УС На осциллограммах (рис. 4) 2 канал показан красным цветом, и на нем изображен сигнал УС, положительный импульс которого соответствует положительной полуволне сетевого напряжения, а нулевой

91

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

– отрицательной. 1 канал показан, синим цветом – сигнал управления тиристорами. Осциллограммы (рис. 4а) углом управления тиристора равным 90°, а осциллограммы (рис. 4б) – 5°. Работоспособность стенда иллюстрируется осциллограммами (рис.5). На рис. 5 второй канал (показан красным цветом) иллюстрирует сигнал управления тиристором. Первый канал (синий цвет) показывает форму выпрямленного напряжения на активной нагрузке в виде лампы накаливания мощностью 75 Вт, при угле управления тиристором равным 5°. Следует отметить, что силовая часть собрана по трехфазной мостовой схеме, из которой используется 4 тиристора (1 фазный мост).

Рис. 5 - Осциллограммы напряжения: 1 канал на выходе ТП, 2 канал импульсов управления Выводы В ходе работы был разработан лабораторный стенд тиристорного преобразователя постоянного напряжения с цифровой системой импульсно-фазового управления на базе микроконтроллера STM32F4VET, была проверена работоспособность стенда на активную нагрузку, сняты экспериментальные осциллограммы импульсов управления тиристорами и выпрямленного напряжения для однофазной мостовой схемы. Стенд в будущем будет использоваться и на другие виды нагрузок, а также осуществлять управление электродвигателем постоянного тока с регулированием заданных координат.

92

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок 1. “Преобразователи тиристорные ПТЭМ-2Р-22Ц4М” Электронный ресурс. Режим доступа: https://krivoyrog.flagma.ua/preobrazovateli-tiristornye-ptem-2r22c4m-o4896935.html (Дата обращения: 02.05.2019).

2 “Преобразователь ПТЭМ-2Р-2М” Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.mashprom-zvd.ru/%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%B B%D1%8C-%D0%BF%D1%82%D1%8D%D0%BC-2%D1%80-2%D0%BC/ (Дата обращения: 02.05.2019).

3. Шиянов А.А., Мирошник Д.Н. Разработка формирователя импульсов тиристорного преобразователя постоянного тока / Шиянов А.А., Мирошник Д.Н. // IV Международная научно-практическая конференция Инновационные перспективы Донбасса, ДонНТУ, 2018 г. – Том 2, с178-182.

4. “Схемное устройство для распознавания сетевых переходов через нуль” Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2447570 (Дата обращения: 02.05.2019).

5. “Системы управления ведомых преобразователей” Электронный ресурс. Режим доступа: https://docplayer.ru/38114754-Glava-9-sistemy-upravleniyavedomyh-preobrazovateley-klassifikaciya-sistem-impulsno-fazovogo-upravleniyaventilnymi-preobrazovatelyami.html (Дата обращения: 02.05.2019).

6. Дудкин Максим Михайлович. Устройства и системы управления силовыми вентильными преобразователями для потребителей с нестабильными параметрами источника электроснабжения: диссертация ... доктора технических наук: 05.09.12 / Дудкин Максим Михайлович; [Место защиты: Южно-Уральский государственный университет].- Челябинск, 2015.- 482 с.

93

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316.71

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ГЕНЕРАЦИИ А.Ю. Ишутин, А.Н. Минтус ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье рассматривается особенность работы электропривода переменного тока от источника ограниченной мощности. На примере системы векторного регулирования скорости исследуется возможность снижения потребляемой мгновенной мощности за счет снижения эффективности. Ключевые слова: модель, распределенная генерация, векторное регулирования, электропривод, источник ограниченной мощности.

The article discusses the feature of the AC drive from a limited power source. In the example with a speed control system, the possibility of reducing the instantaneous power consumed by reducing efficiency is explored.

Keywords: model, distributed generation, vector regulation, electric drive, limited power source. Основной задачей электроэнергетической системы является производство электроэнергии и снабжение ею потребителей, а также поддержание баланса между выработкой и потреблением электроэнергии. В сетях с распределенной генерацией энергии может возникнуть ситуация, при которой традиционный источник генерации будет отключен, и система начнет работать от источника ограниченной мощности. При таком режиме работы решение задачи по поддержанию баланса мощностей представляется особенно важной. [1] Существует несколько способов поддержания баланса мощностей при работе от источника ограниченной мощности. Один из них подразумевает разделение всех потребителей на группы по приоритетности снабжения, и в случае нехватки мощности отключение части потребителей по группам, начиная с самого низкого приоритета. Другой метод, наряду с решениями, используемыми в первом способе, предполагает дополнительно снижать производительность тех механизмов, где это возможно с токи зрения производственного процесса. Все производственные механизмы могут быть поделены на следующие пять категорий по типу их механических характеристик:

94

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

I. Механическая характеристика, которая не зависит от угловой скорости (механизм подачи металлорежущих станков; подъемники; конвейеры; поршневые насосы и другие механизмы, в которых основной момент – это момент трения). График данной механической характеристики показан на рис. 1, кривая 1.

II. Механическая характеристика, которая с увеличением угловой скорости линейно возрастает (гладильные машины, обжимные валки прокатных станов и т.д.). График данной механической характеристики показан на рис. 1, кривая 2.

III. Механическая характеристика, которая с увеличением угловой скорости нелинейно возрастает (механизмы с центробежным характером производственного процесса: вентиляторы, центробежные насосы, центрифуги, гребные винты и т.д.). График данной механической характеристики показан на рис. 1, кривая 3.

IV. Механическая характеристика, которая с увеличением угловой скорости нелинейно спадает (главные электроприводы обрабатывающих станков: металлообрабатывающих, фанерострогальных и т.д.). График данной механической характеристики показан на рис. 1, кривая 4.

V. Механическая характеристика с повышенным пусковым моментом (миксеры, механизмы перемешивания жидкостей). График данной механической характеристики показан на рис. 1, кривая 5 [2].

Рис. 1 – Механические характеристики производственных механизмов Из графиков видно, что производственные механизмы с механической характеристикой 4 не позволяют использовать вышеописан-

95

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ный метод в силу того, что при снижении производительности потребляемая мощность снижаться не будет или будет снижаться незначительно. Во всех остальных случаях использование данного метода допускается с учетом особенностей производственных процессов. Так как большинство современных электроприводов составляют привода переменного тока, то в данной работе будет рассмотрена двухконтурная система векторного регулирования скорости АД с короткозамкнутым ротором, функциональная схема которой представлена на рис.2. [3,4]

ωз

ЗИ

Wрс Ψз

Wрпт

ωос

ω1 Ψос ω2

Id

Ud Wрт

Iq

1 р

Uq

ПК

Ua Ub Uc

θ Ia

Idос БРП

Iqос

ПЧ

ПК

Ib TG

АД

Рис.2 – Функциональная схема двухконтурной системы векторного регулирования скорости в осях dq В данной системе снизить мгновенную потребляемую мощность можно двумя способами: снизить скорость, тем самым снизив мгновенную потребляемую мощность в статических режимах, и уменьшить темп разгона, тем самым уменьшив мгновенную потребляемую мощность в динамических режимах. Результаты моделирования в относительных единицах представлены на рис. 3, 4. Как видно из рис. 3 (в,г), данный метод позволяет снизить потребление мгновенной мощности в 2 раза при двукратном уменьшении скорости и сохранении нагрузочного момента на валу. На рис. 4 показано, что при меньшем темпе разгона потребление мгновенной мощности в динамике также снизилось.

96

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

а)

б)

в)

г) Рис. 3 – Момент, скорость (а) и полная мощность (в) при ω=ωН и при ω=0.5ωН (б,г)

97

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

а)

б)

в)

г) Рис. 4 – Момент, скорость (а) и полная мощность (в) при ω=0.5ωН и времени разгона 0.3с, и при ω=0.5ωН и времени разгона 0.6с (б,г)

98

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы Одну из основных задач электроснабжения – подержание баланса мощностей при работе от источника ограниченной мощности, можно решить путем понижения производительности производственных механизмов, если это позволительно с точки зрения технологических процессов. На основании полученных результатов можно производить дальнейшие исследования, используя вышеописанный принцип, в частности для систем позиционного электропривода.

Перечень ссылок 1. Стычинский З.А., Воропай Н.И., Возобновляемые источники энергии: Теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика// Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg – 2010.; 2. Электропривод переменного тока: учебное пособие / А.Ю. Чернышев, Ю.Н. Дементьев, И.А. Чернышев; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 213с.

3.

Blaschke F. Das Verfahren der Feldorientirung zur Regelung der Drehfeldmaschine, Dissertation, TU Braunschweig, 1974.

4.

Leonard W. Regelung elektrischer Antriebe, Springer Verlag. – 1999.

99

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 681.2-5

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРОТЕЗА ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ РУКИ Е.В. Басалыгин, В.В. Гринь, П.И. Розкаряка, Д.В. Бажутин ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье рассмотрены элементы конструкции и системы управления протеза верхней конечности человека, позволяющей обеспечить простые движения кисти, локтевого и плечевого суставов: сгибание, разгибание и удержание. Приведенная конструкция реализована с помощью 3Д печати ABS пластиком. Ключевые слова: протез, бионическая модель, Matlab, STM32F4, система управления The article presents the elements of construction and control system of a human upper limb prosthesis that allows for simple hand, elbow and shoulder joint motion: bending, unbending and holding. The presented construction was implemented using ABS plastic 3D-printing technique.

Keywords: prosthesis, bionic model; Matlab, STM32F4, control system В настоящее время вопрос разработки роботизированных протезов конечностей является актуальным, поскольку серийно выпускаемые модели являются недоступными подавляющему большинству нуждающихся [1-4]. Эти модели достаточно сложны в производстве и обслуживании из-за высокой стоимости материалов и сложности изготовления отдельных деталей. Перспективным направлением развития данной отрасли техники является разработка роботизированных протезов с использованием технологии 3D-печати, которая позволяет существенно снизить стоимость деталей конструкции и время их изготовления. В данной статье рассмотрены вопросы разработки протеза верхней конечности с использованием доступных материалов. В [1] рассмотрен опыт разработки модели электромеханического протеза кисти с возможностью удаленного управления. Приведены основные этапы разработки и проектирования устройства, разработка и отладка управляющей программы. Отмечается, что разработанный прототип обладает ограниченным функционалом, что обусловлено установкой серводвигателей с нитевым приводом пальцев. Управление без обратной связи по положению не всегда допустимо в таких

100

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

системах, поскольку не позволяет фиксировать момент соприкосновения с внешними объектами. Кроме того, рассмотренные миниатюрные серводвигатели обладают очень низким моментом удержания, что не позволяет использовать их в полноценных протезах. Для обеспечения возможности использования подобных прототипов в качестве реальных протезов необходимо модернизировать конструкцию устройства. Первым этапом является отказ от нитевых передач в пользу более сложных, но и более надежных механизмов, например, винтовых или зубчатых передач. Также функционал разрабатываемого прототипа расширяется за счет добавления локтевого и плечевого суставов. Разработанная из этих соображений модель конструкции приведена на рис.1.

Рис. 1 – 3D модель руки антропоморфного робота. На рис.1 показаны места установки двигателей: 1 – привод плечевого сустава, 2 – привод сгибания локтевого сустава, 3 – привод поворота локтевого сустава, 4 – приводы пальцев. Выбор их типов осуществлялся исходя из номинального и максимального момента, а также скорости вращения выходного вала редуктора на основании предварительных расчетов. Движение всех суставов осуществляют двигатели постоянного тока с импульсными датчиками положения, что позволяет обеспечить качественное регулирование положения звеньев. Дополнительно приводы плечевого и сгибания локтевого суставов оснащены понижающими редукторами с червячной передачей, что обеспечивает фиксацию звеньев в текущем положении при исчезновении питания. На рис. 2 и 3 показан внешний вид конструкции разработанного прототипа с нанесенными размерами ее элементов.

101

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 2 – Конструкция разработанного прототипа (вид сверху)

Рис. 3 – Конструкция разработанного прототипа (вид сбоку) Реализация алгоритма управления выполнена в среде Matlab/Simulink с использованием специализированной библиотеки Waijung, предназначенной для работы с микроконтроллером STM32F4. На рис. 4 представлена функциональная схема разработанной системы управления одним двигателем.

Рис. 4 – Функциональная схема системы управления

102

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Одной из важных особенностей алгоритма управления является поиск нулевой точки. Необходимость добавления этой процедуры обусловлена установкой на валах двигаетей инкрементальных импульсных датчиков положения, в результате чего при каждом перезапуске системы управления информация о текущем положении утрачивается. Поиск начального положения осуществляется в начальный момент включения и заключается в плавном движении приводов в определенном направлении до срабатывания концевого датчика. Сигнал концевого датчика в данном случае сбрасывает счетчик импульсов и дает сигнал системе управления, что устройство готово к работе. Также концевые датчики выполняют защитную функцию, ограничивая перемещение узлов конструкции из условия обеспечения ее механической целостности. На рис.5 показана реализация этой системы управления

Рис. 5 – Программа для управления пальцами кисти Поскольку при проверке алгоритмов взаимосвязанного движения нескольких элементов конструкции на реальном прототипе может привести к ее неисправности из-за неточностей в расчетах, необходимо провести предварительное моделирование работы этих алгоритмов на компьютерной модели. Следует учитывать, что сложность уравнений динамики робота-манипулятора растет с увеличением числе подвижных элементов. Поэтому ограничимся имитационными моделями протеза руки, разработанными с помощью блоков библиотеки SimMechanics, как показано на рис.6. Желтым цветом выделена часть модели, отвечающая за подъем в плечевом суставе, зеленым – подъем кисти, синим – поворот кисти. Оценить корректность разработанного алгоритма управления можно с помощью средств визуализации SimMechanics, как это показано на рис.7.

103

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 6 – Математическая модель локтевого и плечевого суставов В В)

Рис. 7 - Результат работы имитационной модели локтевого и плечевого суставов На рис. 8 показана разработанная аналогичным образом имитационная модели кисти руки. Различными цветами выделены блоки, отвечающие за каждый отдельно взятый палец, а именно: красный – мизинец, зеленый – безымянный, синий – средний, голубой – указательный, фиолетовый – большой. На этапе отладки можно не учитывать динамику двигателей и системы автоматического управления, переведя блоки актуаторов в режим идеального сервопривода, в котором заданное перемещение отрабатывается без ошибок и задержек. На рис. 9 показаны графики заданных траекторий движения различных фаланг одного пальца.

104

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 8 - Математическая модель кисти. Одним из главных условий качества работы данной модели является одинаковая скорость движения пальцев. Задание на скорость осуществляется отдельно для каждой фаланги пальца, при чем величина максимальной скорости для каждой фаланги каждого пальца будет неодинаковой из-за неодинаковой длины фаланг. Результаты моделирования приведены на рис. 10. Результаты моделирования совпали с расчетами, что свидетельствует об адекватности разработанной модели. Для максимального приближения исполнительных органов экзоскелета к реальной биомеханике человека необходимо обеспечить не только совпадение их кинематических характеристик, но и обеспечить точное совпадение осей вращения подвижных элементов. Данная технология может использоваться в восстановительной медицине для реабилитации пациентов на основе плавного перехода от пассивной к активно-пассивной тренировке. Эта модель в дальнейшем позволяет произвести кинематические и динамические анализы объектов, также может являться основой для более сложных задач. Выводы В статье рассмотрена конструкция и система управления протеза верхней конечности человека, позволяющей обеспечить простые движения кисти, локтевого и плечевого сустава: сгибание, разгибание и удержание. Проведены первичные испытания устройства. Ведутся работы над усовершенствованием конструкции и системы управления.

105

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

б)

a) Time Series Plot: 3

2

1

0

-1

-2

-3 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Time (seconds)

в) Рис. 9 - График скоростей: а) верхней фаланги б) нижней фаланги в) средней фаланги

а)

б)

Рис. 10 – Результаты моделирования движения пальцев: а) начальное положение, б) конечное положение

106

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок 1. Басалыгин Е.В., Гринь В.В., Розкаряка П.И. Опыт разработки элементов электромеханической модели протеза человеческой руки/ IV Международная научно-практическая конференция «Инновационные перспективы Донбасса», секция «Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем». – Донецк: ДОННТУ, 2018 г. – с.84-90.

2. Виды протезов рук [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://motorica.org/vidy-protezov-ruk/ 3. Разработка и анализ функционального протеза руки с нейрофизиологической системой управления [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://mech.spbstu.ru/images/6/64/Kovalev_poster.pdf 4. Бионический протез руки [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://boomstarter.ru/projects/221181/bionicheskiy_protez_ruki_maxbionic

107

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 620.9:62-83:621.671

АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПИТАНИЕМ ОТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ А.В. Светличный, Е.Ю. Балабанов ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» На основании экспериментальных исследований представлен анализ влияния на энергетические показатели системы преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель используемого закона управления и частоты коммутации инвертора. Оценена эффективностьустановкисетевогодросселядляуменьшениямощностиискажений. Ключевые слова: энергоэффективность, преобразователь частоты, сетевой дроссель, качество электроэнергии, искажения, потребление электроэнергии.

Based on experimental studies, an analysis of the effect on the energy performance of a frequency converter - an asynchronous electric motor system of the control law used and the inverter switching frequency is presented. The effectiveness of the installation of a network throttle to reduce the power of distortion is estimated.

Keywords: energy efficiency, frequency converter, mains choke, power quality, distortions , power consumption. Целью данной работы является исследование энергетических режимов регулируемого электропривода работающего от преобразователя частоты, и определение условий обеспечения наиболее энергоэффективного режима работы. Основным критерием исследования является оценка общего КПД и коэффициента мощности системы ПЧ-АД. Путем экспериментальных исследований оценивается влияние на этот показатель частоты коммутации и закона управления. Также оценивается эффективность применения сетевого дросселя. Исследовательская установка представляет собой центробежный насос мощностью 370Вт, в качестве измерительного прибора выступает мультиметр Lovato. Все эксперименты проводятся с учетом рабочей температуры двигателя, при одинаковой производительности для всех вариантов исследования за определенный промежуток времени.

108

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Первый эксперимент проводится при пропорциональном законе управления U/f=const, при различных частотах коммутации 2, 4, 8, 16 кГц. Для каждой частоты коммутации двигатель работает с частотой 25 и 50 Гц. Для оценки влияния частоты коммутации преобразователя на питающую сеть фиксировались все параметры питающей сети, а производительность исполнительного механизма оценивалась по показаниям датчика давления и количества перекачанной жидкости. Расход электроэнергии подсчитывается по фиксированным значениям активной мощности и мощности искажений. Все данные берутся из памяти мультиметраLovato. Результаты эксперимента приведены в таблице 1. Таблица 1 – Результаты эксперимента при скалярном законе управления Частота ШИМ, f, кГц Частота напряжения двигателя, f, Гц Давление, P, Бар Расход, V, м3 Напряжение фазное, U, В Ток сети, I, А Активная мощность, ∆P, Вт Реактивная мощность, ∆Q, ВАр Полная мощность, ∆S, ВА P.F.

2

2

4

4

8

8

16

16

25

50

25

50

25

50

25

50

0.45 0.305

1.6 0.589

0.45 0.312

1.6 0.585

0.45 0.312

1.6 0.581

0.45 0.311

1.55 0,576

222

224

220

220

225

221

225

224

0.94

3.43

0.94

3.5

0.94

3,49

0,94

3.43

115

486

116

488

115

480

115

474

-175

-597

-176

-603

-175

-610

-177

-600

210

760

213

767

213

780

212

770

0.54

0.63 0,87 0,95 235.9 290.8 374.4 5

0.55

56.63 86.44

0.63 0,950,86 237.85 298.53

0.55 0,991 56.73 81.6

0.62 0,860,94 231.1 292.9

0.61 0,87 – 0,97 231.16 295.6

103.3

381.7

99.4

373.1

0.54 0,981 56.1 85.48 102.2 5

сosφ

0.98-1

Σ∆P, Вт*час Σ∆Q, ВАр*час

56.86 85.18

Σ∆S, ВА*час.

102.3

Выходное напряж. ПЧ, Uпч, В Выходной ток ПЧ, Iпч. А

1

375.25

116

220

116

220

116

221

116

222

0.95

1,44

0,94

1.47

0.92

1.44

0.85

1.4

109

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Следующий эксперимент проводился для квадратичного закона управления U/f2=const, при различных частотах коммутации 2, 4, 8, 16 кГц. Для каждой частоты коммутации двигатель работает с частотой 25 и 50 Гц. Параметры сети и рабочего механизма фиксировались те же что и в предыдущем эксперименте и приведены в таблице 2. Таблица 2 - Результаты эксперимента при квадратичном законе управления Частота ШИМ, f, кГц Частота напряжения двигателя, f, Гц Давление, P, Бар Расход, V, м3 Напряжение фазное, U, В Токсети, I, А Активная мощность, ∆P, Вт Реактивная мощность, ∆Q, ВАр Полная мощность, ∆S, ВА P.F. сosφ Σ∆P, Вт*час Σ∆Q, ВАр*час Σ∆S, ВА*час. Выходное напряж. ПЧ, Uпч, В Выходной ток ПЧ, Iпч. А

2

2

4

4

8

8

16

16

25

50

25

50

25

50

25

50

0.4 0.316

1.65 0.581

0.45 0.317

1.6 0.588

0.4 0.316

1.55 0.579

0.45 0.314

1.6 0.573

218

224

218

224

218

221

223

223

0.92

3.5

0.91

3.43

0,9

3.52

0.9

3.45

105

480

107

486

109

480

109

476

-170

-619

-167

-605

-165

-612

-170

-570

201

787

199

770

197

780

200

748

0.53

0.55

52.8 81.6 97.19

0.61 0.850.95 228.3 295.4 373.3

0.55

52.17 80.86 96.2

0.62 0.810.95 237.7 294.1 378.16

0.54

52.35 83.2 98.3

0.61 0.88 – 0.95 234.44 -295.12 376.9

54.3 82.96 99.17

0.62 0.88 – 0.95 231.3 284.2 366.4

78

217

79

219

79

217

79

219

0.71

1.46

0.71

1.46

0,72

1.44

0.68

1.4

1

1

1

0.99-1

Для визуального представления процессов происходящих в системе ПЧ-АД при помощи регистратора Рекон получаем осциллограммы входного тока и напряжения сети (рисунок 1), напряжения и 110

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

токи на выходе преобразователя частоты для 25 Гц работы двигателя (рисунок 2) и 50 Гц (рисунок 3).

Рис. 1 – Напряжение и ток на входе ПЧ

Рис. 2 – Напряжения и токи на выходе ПЧ при 25 Гц

Рис. 3 – Напряжения и токи на выходе ПЧ при 50 Гц По данным энергетических показателей экспериментов строим графики зависимости частоты коммутации от расхода электроэнергии при частоте вращения двигателя 25 Гц (рисунок 4) и 50Гц (рисунок 5).

111

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 4 – Зависимость расхода электроэнергии от частоты ШИМ при 25 Гц

Рис. 5 – Зависимость расхода электроэнергии от частоты ШИМ при 50 Гц По данным результатам можно сделать выводы что частота коммутации вносит незначительное влияние на энергопотребление сети при различных законах управления. Исходя из данных осциллограмм напряжений и токов, питающих двигатель наиболее рациональной, является частота коммутации 8 кГц, так как потребление электроэнергии, потери в двигателе и преобразователе будут сбалансированными.

112

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Использование пропорционального закона управления будет наиболее выгодным, так как производительность лучше поддерживается на постоянном уровне. На напряжение и ток сети частота коммутации преобразователя не оказывает никакого влияния. Это связано с двойным преобразованием энергии в преобразователе. Известно, что преобразователь частоты влияет на питающую сеть путем искажения формы напряжения и тока. Данное явление не желательно как для самого преобразователя, так и для других потребителей, которые могут быть включены на этой же линии. Одним из способов снижения негативного влияния ПЧ на питающую сеть является использование сетевого дросселя. При проведении исследований использован сетевой дроссель от компании Lenze. Результаты, полученные с дросселем и без него приведены в таблице 3. Таблица 3 – Результаты уменьшения влияния преобразователя на сеть Величины Метод Частота ШИМ, f, кГц Частота напряжения двигателя, f, Гц Давление, p, Бар Расход, V, м3 Напряжение фазное, U1, В Токсети, I, А Активная мощность, ∆P, Вт Реактивная мощность, ∆Q, ВАр Полная мощность, ∆S, ВА P.F. сosφ Σ∆P, Вт*час Σ∆Q, ВАр*час Σ∆S, ВА*час. Выходное напряж. ПЧ, Uпч, В Выходной ток ПЧ, Iпч. А Напряжение на выходе дросселя, U2, В

Сравнительные данные Без дросселя С дросселем 8 8 50 50 1.5 1.6 0.581 0.581

113

221

223

3.49

2.69

480

467

-610

-384

780

604

0.62 0.86-0.94 231.1 292.9 373.1 221

0.77 1 229.3 186 295.2 212

1.44

1.46

-

221

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Далее фиксируем изменение формы питающего напряжения и тока сети с включенным в сеть дросселем (рисунок 6).

Рис. 6 – Сравнительные осциллограммы входного напряжения и тока Сравнительный результат применения дросселя можно предоставить в виде диаграммы приведенной на рисунке 7.

Рис. 7 – Сравнительная диаграмма результатов Выводы Сделав дополнительные расчеты можно сделать вывод, что использование данного дросселя для преобразователя частоты является целесообразным, так как качество подводимой электроэнергии повышается. Об этом свидетельствует повышение коэффициента полезной мощности на 24%, исходя из осциллограммы, амплитуда тока понижается на 35.8 %, понижается расход электроэнергии на 4.9

114

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

%. Дроссель увеличит срок службы конденсаторной батареи преобразователя, так как уменьшает производную и амплитуду зарядного тока.

Перечень ссылок 1. Алгоритм оценки эффективности работы асинхронных двигателей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/algoritm-otsenkieffektivnosti-raboty-asinhronnyh-dvigateley-v-nasosnyh-agregatah, свободный.

2. Андриенко В. М. Определение энергетических показателей асинхронных двигателей при питании от статических преобразователей частоты // Электротехника и электромеханика. – 2010. – №. 3. – C. 5 – 7.

3. Андриенко В.М., Клингер К. Исследование параметров управляемых асинхронных двигателей // Электричество. – 2006. – №8. – с. 41-44.

4. Определение влияния высших гармоник питающего напряжения с широтно-импульсной модуляцией на потери мощности в асинхронном двигателе [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenievliyaniya-vysshih-garmonik-pitayuschego-napryazheniya-s-shirotno-impulsnoymodulyatsiey-na-poteri-moschnosti-v-asinhronnom, свободный.

115

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.314

РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ НА БАЗЕ STM32F4 Е.А. Бондаренко, Д.Н. Мирошник ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» В работе была разработана система, способная синхронизироваться с частотой питающей трехфазной сети на базе микроконтроллера STM32F4. В качестве датчика напряжения и преобразователя его для оцифровки выступает плата на базе операционных усилителей. Ключевые слова: фазовая автоподстойка частоты, микроконтроллер, активный выпрямитель, реактивная мощность In this work, a system was developed that is able to synchronize with the frequency of the three-phase supply network based on the STM32F4 microcontroller. As a voltage sensor and converter for digitizing, it is a board based on operational amplifiers.

Keywords: phase lock loop, microcontroller, grid side converter, power factor Систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) встречается в различных сферах: микроконтроллеры, радиотехническое оборудование, компьютерная техника, силовая электроника. ФАПЧ играет значительную роль в системах коррекции коэффициента мощности [1-5], где требуется точная информация о фазе напряжения сети. Вопрос коррекции коэффициента мощности достаточно актуален в современной промышленности ввиду большого количества преобразовательных устройств, которые вносят негативный вклад в гармонический состав входного тока преобразователя. Одним из способов решить проблему является активный выпрямитель, с помощью которого можно контролировать форму потребляемого тока из сети. ФАПЧ (англ. Phase Lock Loop, PLL) является системой автоматического регулирования частоты (фазы) управляемого генератора в устройствах приема и обработки сигналов согласно частоты входного сигнала. Рассогласование между опорным сигналом и выходным корректируется с помощью обратной связи [1]. Структурная схема ФАПЧ представлена на рисунке 1. На кафедре ЭАПУ разрабатывается стенд для управления машиной двойного питания (МДП), для которой, в свою очередь, проекти-

116

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

руется преобразователь частоты в роторную цепь машины. Одним из звеньев данного преобразователя является активный выпрямитель напряжения. Таким образом, отработка задачи синхронизации с частотой сети является актуальной.

Рис. 1 – Структурная схема ФАПЧ Целью работы является разработка ФАПЧ для устройств силовой электроники базе микроконтроллера STM32 и его исследование работы. В лаборатории кафедры был собран стенд, на котором производилась работа по построению системы фазовой автоподстройки частоты на базе STM32F4. В качестве опорного сигнала была взята частота трёхфазной питающей сети. Схема электрических соединений в общем виде представлена на рисунке 2. В качестве датчика напряжения выступает резисторный делитель напряжения, рассчитанный таким образом, чтобы на вход блока операционных усилителей (ОУ), поступало напряжение амплитудой 1,5В.

Рис. 2 – Схема электрических соединений для построения ФАПЧ Блок ОУ представляет собой монтажную плату с размещенными на ней микросхемой AD8544, резисторами и обвязкой по питанию, а также напряжения смещения. Схема блока ОУ представлена на рисунке 3. Блок ОУ подготавливает напряжение для оцифровки, сдви-

117

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

гая его над уровнем оси на 1,5В.

Рис. 3 – Схема соединений блока ОУ Структура, показанная на рисунке 1 была реализована программно в пакете Matlab [2]. Программа представлена на рисунке 4. Программа состоит из следующих частей: • блок настройки и инициализации контроллера; • блок чтения сигнала АЦП; • подсистема калибровки, в которой происходит фильтрация шумов, а также сдвиг напряжения на нулевую отметку; • подсистема перехода он битовых величин в напряжение; • подсистема ФАПЧ с преобразователями координат; • подсистема блокировки сигнала до окончания калибровки; • блок вывода данных на ЦАП микроконтроллера.

Рис. 4 – Программа ФАПЧ в среде Matlab Подсистема ФАПЧ реализована в блоке PLL (см. рис. 4), согласно структуре, представленной на рисунке 5. В данном блоке для обработки сигналов реализован переход от неподвижной фазной системы координат ABC к вращающейся синхронно с сетью dq. Также произ-

118

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

водится регулирование угла синхронизации Θ при помощи регулятора [2], и его формирование в интеграторе.

Рис. 5 – Структура ФАПЧ в среде Matlab В итоге, были получены осциллограммы, представленные на рис.

6-7. Рисунок 6 показывает графики напряжения Ud (амплитуды напряжения сети), и угла синхронизации Θ (поворота вращающейся с сетью системы координат). Осциллограммы сняты в момент включения в работу блока ФАПЧ. Из чего можно сделать вывод, что система синхронизируется за время менее 5мс, после чего выходит на стабильный режим работы. Время стабилизации зависит также от фазы напряжения сети в момент подключения (рис.6-7).

Рис. 6 – Осциллограммы работы вычисления сигналов ФАПЧ с аналогового выхода микроконтроллера Рисунок 7 показывает реакцию системы в момент подачи питания. На графике напряжение Ud действительной оси системы координат вращающейся синхронно сетью и напряжение на входе в блок ОУ.

119

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис.7 – Осциллограммы работы вычисления сигналов ФАПЧ с аналогового выхода микроконтроллера С помощью приложения в среде Matlab была проведена проверка времени выполнения программы микроконтроллером. Данная проверка проводится для того, чтобы удостовериться, что программа будет выполнена в полном объеме. Таким образом, среднее время выполнения программы составило 1,06е-4 с (рисунок 8).

Рис. 8 – Результаты проверки времени выполнения программы микроконтроллером в среде Matlab Преимуществами данного устройства является его простота и дешевизна. К тому же, применение контроллера STM32 не ограничивается работой с ФАПЧ. Недостатками данного устройства синхронизации является большая подверженность к помехам и несимметрии сети, неточность измерений ввиду применения резистивных делителей напряжений, а также отсутствие гальванической развязки. Выводы На кафедре разработано функционирующее устройство для синхронизации с

120

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

частотой сети 50Гц. Система ФАПЧ работоспособна и выходит на стабильную работу за время 5 мс. Однако для повышения качества работы системы требуется усовершенствование схемы и разводка для неё цельной печатной платы для уменьшения воздействия посторонних шумов. Для повышения точности в определении амплитуд фазного напряжения необходим отказ от резисторного делителя напряжения с применением специальных датчиков напряжения.

Перечень ссылок 1. Фазовая автоподстройка частоты. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Фазовая_автоподстройка_частоты.

2. A Phase Tracking System for Three Phase Utility Interface Inverters. Режим доступа: IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 3, MAY 2000.

3. Устройства приема и обработки сигналов. Ю. В. Ветров, А. С. Груздев, С. В. Волвенко, Ф. ИПК СФУ, 2008г.

4. Модельно-ориентированное проектирование. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Модельноориентированное_проектирование.

5. Вопросы компенсации реактивной мощности. Беляевский Р.В. Учебное пособие. — Кемерово: КузГТУ, 2011. – 132 с.

121

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.314

РАЗРАБОТКА СИЛОВЫХ НЕКОМПЛЕКТНЫХ ИНДУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Д. О. Петренко, А. А. Шиянов, Е. А. Бондаренко, Д. Н. Мирошник ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Аннотация: в работе рассмотрены способы расчета и проектирования и экспериментальной проверки некомплектных дросселей для силовых полупроводниковых преобразователей энергии в электроприводе. Ключевые слова: дроссель, катушка индуктивности, магнитопровод, индуктивность, немагнитный зазор, кривая намагничивания.

This work considers methods for calculating and designing nonstandard chokes for power semiconductor energy converters for electric drives.

Keywords: choke, inductance, magnetic core, non-magnetic gap, magnetization curve. В связи с повсеместным распространением преобразовательной техники в автоматизированном электроприводе и электроэнергетике, требуется уметь грамотно делать расчет и проектирование некомплектных индуктивных элементов (дросселей). На кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» разрабатываются стенды по изучению активных выпрямителей для машины двойного питания и тиристорного преобразователя для электропривода постоянного тока. В работе приведены примеры расчета и разработки подобных некомплектных элементов. Они базируются на методиках [1-2]. Хорошими примерами работ по расчету и проектированию дросселей являются статьи и книги В.Я. Володина, в которых автор показывает относительно простую методику расчета и проектирования дросселей [1]. В статье Ю. Черкашина приведен расчет дросселя при произвольных формах тока [2], на основании относительной магнитной проводимости. Цель работы. Произвести расчет и проектирование силовых дросселей для активного выпрямителя напряжения и тиристорного преобразователя постоянного напряжения в выпрямительной цепи, а

122

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

также провести экспериментальную проверку параметров спроектированных элементов. Результаты работы. Исходные данные проектированию представлены в табл.1. Таблица 1 – Заданные значения параметры дросселей № I, A U, В L, мГн 1. Дроссель трехфазный

15

50

0.1 -0.3

2. Дроссель сглаживающий на постоянный ток

11

250

3-9

Для задачи №1 был взят магнитопровод броневой конструкции, типа ШЛ, марка стали 3411 с толщиной пластины 0.35 мм.

Рис.1 –Броневой магнитопровод типа ШЛ для трехфазного дросселя Габаритные размеры магнитопровода: а=2см, b=2.5см, с=2 см, h=5см. Длина средней магнитной линии lc=16.8 см (рисунок 1). Для задачи №2 был взят П - образный магнитопровод из листовой холоднокатаной электротехнической стали марки 3414 (Э330А). Его схема с обозначением габаритных размеров приведена на рисунке 2.

123

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ,

2.5 см (a)

8.2 см

1.0 см

0.5 см

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 3.02 см (b)

6.2 см (h)

9.2 см

4.0 см (c)

2.5 см

11.2 см

Рис. 2 – ПЛ сердечник для сглаживающего дросселя на постоянный ток Сущность и общая методика проектирования. На основании известных данных (габаритные размеры магнитопровода и свойства электротехнической стали) производится последовательный расчет, который начинается с определения количества витков дросселя. По методу В. Я. Володина количество витков и немагнитный зазор сердечника магнитопровода определяется ориентировочно, затем рассчитывается приблизительное значение индуктивности и в зависимости от ее значения корректируются количество витков и немагнитный зазор для попадания в заданные пределы необходимой индуктивности. Для второго метода характерно более точное определение количества витков и немагнитного зазора. Оба этих метода основаны на последовательном приближении к требуемой индуктивности и общий алгоритм можно описать блок-схемой (рис. 3). Производится расчет габаритных показателей сердечника:

Sc = a·b , So = c·h . Примерная габаритная мощность p, ВА: P=1.25So·Sc, Расчет начинается с определения конструктивных и электромагнитных параметров. Все они, кроме коэффициента заполнения стали Кс, могут корректироваться в рамках поставленной задачи.

124

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 3 – Алгоритм расчета дросселя Коэффициент заполнения Kс, который равен отношению сечения стали сердечника к общему сечению (в последнее входит изолирующий лак) берется из справочной литературы и для каждого типа сердечника и типа стали он свой, как правило в пределах 0.9-0.97. Отношение площади чистого проводника в окне сердечника к общей площади окна выражается коэффициентом Ко. Важную роль играет в трансформаторах, где количество витков значительно больше из-за наличия двух обмоток и определяет их габаритную мощность, а в случае с дросселем служит коэффициентом ограничивающим количество витков. Для уменьшения влияния эффекта вытеснения тока нужно производить намотку дросселя из литцендрата (задача 1), что дополнительно уменьшит Ko, поэтому на начальном этапе стоит принять Ko меньше рекомендованного. При подборе параметров так же можно пользоваться рекомендациями из справочной литературы [3]. Значение максимальной индукции Bm принимается исходя из работы

125

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

на линейном участке кривой намагничивания, а плотность тока J принимается по условиям ограничения падения напряжения на активном сопротивлении или ограничения нагрева и т.д. Определяется количество вмещаемых витков по формуле:

100 ⋅ SO ⋅ K O ⋅ J .

I Если индуктивность оказалась значительно больше заданной (более, чем в 3 раза), необходимо уменьшить количество витков, а если меньше (менее, чем в 3 раза), то увеличить. Теоретический немагнитный зазор: W=

δ=

I⋅W .

796Bm

Определяется индуктивность:

1.25 ⋅10−7 SC KC W2 L= . δ Если индуктивность оказалась больше требуемого значения, для ее уменьшения увеличиваем магнитный зазор на величину отношения имеющейся индуктивности и заданной, наоборот - уменьшаем:

δ = δр ⋅

Lр Lт

,

где Lр – рассчитанная индуктивность; Lт – требуемая индуктивность; δр – рассчитанный зазор. Далее производится пересчет индуктивности по формуле выше. Для расчета дросселя методом на основе относительной магнитной проницаемости используется кривая намагничивания выбранной марки стали для определения магнитной проницаемости (рис. 4) [4]. Определяется относительная магнитная проницаемость в точке, где кривая сохраняет приблизительно линейный вид: B µ= , µ0 H где B – магнитная индукция в выбранной точке, Тл; Н – напряженность магнитного поля в той же точке, А/м; µ 0 – магнитная постоянная, равная 1.26 ⋅ 10−6 Гн/м.

126

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 4 – Кривые намагничивания некоторых марок стали Производится расчет индуктивности: µ эквµ0 W2Sc L= , lc µ где µ экв = .

1 µδ + K c lс На основе параметров полученных при расчете необходимо изготовить и испытать экспериментально дроссель. Для определения индуктивности необходимо получить два параметра дросселя: активное и реактивное сопротивление. Для определения активного сопротивления дроссель подключается к изменяемому постоянному напряжению (см. рисунок 5), чтобы в дальнейшем получить его ВАХ, для каждой точки, которой необходимо рассчитать сопротивление проводника. После расчета полученные значения усредняются, а полученное среднее значение принимается за активное сопротивление дросселя.

Рис. 5 – Схема для снятия ВАХ проводника дросселя и расчета активного сопротивления Формула для получения сопротивления:

127

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

R=

U L(DC) I DC

,

где U L(DC) - напряжение на дросселе, В; I DC - ток через дроссель, А. Для получения реактивного сопротивления также необходимо насколько точек для снятия ВАХ, но уже с переменным током и напряжением. Для этого дроссель включается в сеть переменного тока с переменной нагрузкой (см. рисунок 6), с помощью которой изменяют потребляемый ток и измеряют сопротивление на дросселе. Далее, по такому же принципу как для активного сопротивления считают сопротивление полное, которое затем усредняют.

Рис. 6 – Схема экспериментальной проверки дросселя Полное сопротивление:

Z=

U L(AC) I(AC)

,

где U L(AC) - напряжение на дросселе, В; I (AC) - ток через дроссель, А. Для усредненного полного сопротивления считается реактивное: X cp = Zcp 2 − R cp 2 ,

Z1 + Z2 + ... + Zn - среднее полное сопротивление, Ом; n R + R 2 + ... + R n R cp = 1 - среднее активное сопротивление, Ом. n Далее определяется индуктивность: X L = cp , ω где Zcp =

128

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

где ω – угловая частота сети. Также был спроектирован и изготовлен сглаживающий дроссель тиристорного преобразователя постоянного напряжения. В ходе экспериментов разница между расчетным и экспериментальным значением индуктивности не существенна. Результаты эксперимента и расчета для разрабатываемых дросселей сведены в таблицы 1.1, 1.2, 2.

Задача №1, расчет

Sc, см2 5 J, А/мм2 12

Задача №2, расчет

Sc, см2 7,55 J, А/мм2 2,9

Задача №1, эксперимент

Таблица 1.1 – Расчетные данные So, P, Kc Ko 2 см ВА 10 62.5 0.93 0.1 δ, L, мГн.

W µэкв мм 1 метод 24

1.34

122,72

0,265

Таблица 1.2 – Расчетные данные So, P, Kc Ko 2 см ВА 24,8 187,2 0.95 0.32 δ, L, мГн.

W µэкв мм 1 метод 88

2,22

3,13

Bm, Тл 1,3 L, мГн 2 метод

134,8

3,25

Таблица 2 – Экспериментальные данные R, Ом Z, Xср, I(DC), I(AC), UL(DC), UL(AC), Ом Ом A A В В 0.0603 0.102

0,078

0.0583 0,093

Задача №2, эксперимент

0.25

Bm, Тл 1.2 L, мГн 2 метод

0.365

4.11

0.22

0.423

1.27

7.95

0.74

0.737

Rcp, Ом

Zcp, Ом

0.0594

0.98

0.008

1.06

0.008

1.05

1.06

0,5

8.5

0,039

9

1

4.2

0,077

4.4

129

L, мГн 0,248

3.36

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы В данной работе был произведен расчет и проектирование некомплектных дросселей. На основе полученных результатов были изготовлены дроссели и проведены их экспериментальные проверки на соответствие заданным параметрам.

Перечень ссылок 1. Володин, В.Я. Расчёт дросселя // Электронный ресурс.- Режим доступа: https://www.ferrite.com.ua/user_files/File/literature/literature24.pdf 2. Ю. Черкашин. Расчет дросселей с магнитопроводом при произвольной форме тока // Электронный ресурс.- Режим доступа: https://www.powere.ru/pdf/2008_3_20.pdf 3. С.Г. Бунин, Л.П. Яйленко. Справочник радиолюбителякоротковолновика. К.:Технiка, 1984 год, стр.203-204.

4. Карпов, Е.В. Параметры некоторых типов электротехнических сталей // Электронный ресурс.Режим доступа: http://www.nexttube.com/articles/core/core.pdf

130

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНЫХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ С ПОМОЩЬЮ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ В.Г. Машкович, Д.В. Бажутин ГОУВПО «донецкий национальный технический университет» В статье рассмотрена методика определения параметров нелинейных электромеханических объектов с распределенными параметрами на примере упругой конструкции мостового крана. Обоснован выбор генетических операторов и проведен анализ их влияния на скорость и точность определения параметров линейной модели. Ключевые слова: генетические алгоритмы, идентификация параметров, мостовой кран This article considers parameter identification technique for distributed parameter electromechanical plants using elastic overhead crane structure as an example. The choice of genetic operators was justified and their influence on linear model parameter estimation accuracy was analyzed.

Keywords: genetic algorithms, parameter identification, overhead crane Автоматизация процессов перемещения грузов с помощью мостовых кранов связана с рядом трудностей, например, упругими деформациями конструкции крана при его перемещении. Гармонический характер этих деформаций приводит к более скорому выходу из строя отдельных узлов конструкции вследствие усталости металла. При этом проблема демпфирования этих колебаний является актуальной, но попыткам ее решения посвящено недостаточное количество научных трудов [1-3]. Основной проблемой, которая затрудняет разработку эффективных алгоритмов демпфирования упругих колебаний, является наличие в объекте регулирования нелинейностей, обусловленных распределением массы и жесткости по длине конструкции. Это свойство объекта обуславливает описание его движения с помощью дифференциальных уравнений в частных производных, что затрудняет анализ его динамических свойств. По этой причине в литературных источниках предлагается упрощенное представление механических структур с распределенными параметрами в виде линеаризованных многомассовых моделей [4,5].

131

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Аналитическое определение параметров таких моделей затруднительно ввиду отсутствия достаточно проработанного математического аппарата. С другой стороны, применение численных методов связано с целым рядом сложностей, которые связаны с неполным совпадением динамических свойств линейной модели и реального объекта, а также особенностями итерационного процесса решения систем уравнений с большим количеством неизвестных. Использование генетических алгоритмов для параметрической идентификации объектов позволяет ускорить поиск решения за счет более сложных методов поиска наилучшего соответствия [6]. В основе работы генетических алгоритмов – математическая интерпретация теории естественного отбора. Так, например, конечное множество объектов, создаваемых в соответствии с особенностями идентифицируемого объекта, называется популяцией. При программировании в компьютерной среде она представляется в виде матрицы, каждая строка которой, является хромосомой отдельно взятой особи. Она представляет собой упорядоченную последовательность элементов, в каждом из которых закодировано определенное числовое значение определенного параметра, называемое геном. Поиск наилучшего решения осуществляется за счет смешивания генов особей по определенному закону, который определяется совокупностью генетических операторов: скрещивания, мутации и инверсии. Рассмотрим применение генетических алгоритмов для идентификации параметров объекта с распределенными параметрами. В [4] рассмотрено представление упругой конструкции мостового крана в виде трехмассовой системы (рис.1), для которой необходимо определить пять параметров: три сосредоточенные массы m1, m2, m3 и два коэффициента жесткости – c12 и с32.

F1

+−

F j1

1 v1 m1s

+ −

∆v12

v2

F3

+ −

F j3

1 v3 m3s

+−

∆v32

c12 F12 s

1 Fj2 m2 s

+ +

c32 F32 s

Рис. 1 – Линеаризованная модель конструкции мостового крана

132

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Следует отметить, что из пяти параметров линейно независимыми являются только три. Например, зная значения сосредоточенных масс и собственных частот упругих колебаний, которые можно определить с помощью специализированных программных пакетов конечно-элементного моделирования), можно определить соответствующие значения коэффициентов жесткости. Однако исследования показали, что в этом случае процесс поиска решения существенно усложняется, поскольку нахождение этих коэффициентов связано с решением системы нелинейных уравнений численными методами. Такой подход увеличивает время, затрачиваемое на одну итерацию, а также может привести к появлению ложных результатов в тех случаях, если численное решение системы уравнений не будет найдено с нужной точностью. Таким образом, задача генетического алгоритма будет состоять в нахождении пяти неизвестных коэффициентов. Его алгоритм работы можно представить в виде следующей последовательности действий: 1. Инициализация. Создается начальная популяция –матрица из случайных чисел. Размер матрицы определяется количеством определяемых параметров и желаемым количеством особей в популяции – чем больше это количество, тем меньше итераций потребуется для нахождения решений, но каждая итерация будет занимать значительно больше времени. В нашем случае необходимо определить пять параметров, следовательно, каждая особь популяции будет обладать пятью генами. Размер популяции пример равным 500.

2. Оценивание. Для каждой особи популяции вычисляется функция пригодности – степень соответствия желаемому условию. В данном случае необходимо определить параметры линейной модели, созданной в соответствии с рис. 1, следовательно, необходимо добиться максимально возможного совпадения графиков переходных процессов в этой модели с некоторым эталонным сигналом. В качестве эталона примем графики изменения скоростей сосредоточенных масс [4], полученные в программном пакете Comsol Multiphysics методами конечноэлементного моделирования, которые показаны на рис. 2. Оценку соответствия будет проводить методом наименьших квадратов: n

(

)

F (vt , v ) = ∑ ( vt1 (i ) − v1 (i )) 2 + ( vt 2 (i ) − v2 (i )) 2 + (vt 3 (i ) − v3 (i )) 2 , i =1

где vi и vti – скорость i-ой сосредоточенной массы, полученная из линейной и конечно-элементной моделей. Результаты вычисления функции пригодности записываются в отдельный массив данных, который используется на последующих этапах.

133

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 0

1 2 3 4 Рис. 2 – Эталонные сигналы скоростей

5

6

3. Проверка условия выполнения. Если хотя бы одно целевой функции меньше заданного значения, алгоритм прерывается, поскольку найдено решение, соответствующее поставленному условию с заданной точностью. Гены особи, имеющей наилучший показатель соответствия, выбираются в качестве параметров линеаризованной модели.

4. Селекция. Исходная матрица популяции сортируется в соответствии со степенью приспособленности, т.е. первой строке матрицы популяции соответствует наиболее приспособленная особь.

5. Генетические операторы. Оператор мутации применяем только ко второй половине матрицы популяции, т.е. к наименее приспособленным особям. В ходе исследований было установлено, что такой подход позволяет сократить время нахождения решения. Оператор скрещивания создает новую популяцию путем скрещивания генов пар особей, чьи хромосомы находятся в смежных строках матрицы, при чем каждая особь участвует в скрещивании только один раз. Для каждой особи точка разрыва выбирается случайным образом.

6. Создание новой популяции. Производится оценка приспособленности особей новой популяции и сравнение полученных значений с исходной популяцией. В результате создается новая матрица, в которую записываются хромосомы особей, имеющих наилучшую приспособленность. В ходе предыдущий исследований были определены приближенные значения искомых коэффициентов. Исходя из этих данных были выбраны опорные значения генов, на основании которых формировалась популяция: m1=6000 кг, m2=5000 кг, m3=9000 кг, c12=2·105 Н/м и

134

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

с32=2·104 Н/м. Каждая особь исходной популяции создавалась путем прибавки к опорному значению случайного числа таким образом, чтобы общий разброс значений по каждому из генов не превышал 15%. В сочетании с достаточно большой начальной популяцией такой разброс обеспечивает достаточное разнообразие информации для эффективного поиска решения. В результате исследований было установлено, что такой подход не является достаточно эффективным с точки зрения быстродействия, поскольку вариация искомых коэффициентов за счет случайного характера изменения чисел при мутации в некоторых случаях не дает результата с точки зрения поиска нужного решения. Поэтому было принято решение перейти к более классической форме представления хромосом в виде двоичного кода. Каждый ген хромосомы представлялся в формате с плавающей запятой, взятые с точностью до пятого десятичного знака. Показатель степени из алгоритма поиска был исключен для облегчения кодирования и декодирования чисел. Также с таким подходом необходимо было внести изменения в алгоритм мутации: в каждой второй строчке инвертируется одно случайное число, в каждой третьей строчке – десять случайных чисел, а в каждой пятой – пятнадцать. В результате работы генетического алгоритма за 523 итерации были получены следующие значения параметров линейной модели: m1=5943,6 кг, m2=6601,6 кг, m3=7181,1 кг, c12=3,3424·105 Н/м и с32=4,6841·104 Н/м. Имеется погрешность определения суммарной массы тел 1,2%, однако ее величина достаточно мала и не сказывается на результатах моделирования. На рис.3 приведен график изменения целевой функции за время работы генетического алгоритма, а на рис.4 – сравнение желаемых и полученных графиков переходных процессов. Очевидно, что собственные частоты колебаний совпали, амплитуды колебаний первой и второй масс – практически точно подобраны, а в сигнале скорости третьей массы имеются существенные отличия. Но в [4] было отмечено, что такой результат ожидаем из-за упрощенного характера многомассовой модели, а потому может считаться адекватным. Таким образом, в результате исследований показана эффективность использования генетических алгоритмов в задачах параметрической идентификации.

135

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ Обучение 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0

100

200

300

400

500

600

Рис.3 – Изменение целевой функции в процессе работы наложение графиков 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1

0

100

200

300

400

500

600

700

Рис. 4 – Сравнение графиков переходных процессов Перечень ссылок 1. Будіков Л.Я. Багатопараметричний аналіз динаміки вантажопідйомних кранів мостового типу: Монографія. – Луганськ, вид-во СНУ ім. В.Даля, вид. 2-е, 2003. – 210 с.

2. A. Recktenwald. Aktiver Schwingungsdämpfer für Krane / 19. Internationale Kranfachtagung – Mageburg, Germany, 2011, pp. 142 – 146.

136

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

3. I. Garcia-Herreros, X. Kestelyn, J. Gomand, R. Coleman and P.-J. Barre. Model based decoupling control method for dual drive gantry stages: A case study with experimental validations / Control Engineering Practice, 2013. – Publ., 21, pp. 298 – 307.

4. O. Tolochko, D. Bazhutin. Suppression of horizontal structural vibration of overhead crane in transversal direction given fixed trolley position // Науково-технічний журнал «Електротехнічні та комп’ютерні системи», 2013. - вип. 12(88). – с.14-22.

5. Макурин А.В., Морозов Д.И. Динамика продольного перемещения мостового крана с учетом упругости элементов конструкции // Електротехнічні та комп’ютерні системи. – 2011. – №3(79). – С. 167-169.

6. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. / Д. Рутковская, М. Пилиньский, Л. Рутковский – М.: Горячая линия-телеком, 2013. – 383 с.

137

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.314

МОДЕЛЬ РАДИОУПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ НА БАЗЕ ДВУХДВИГАТЕЛЬНОГО ЗАДНЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА Д.П. Свиридов, Д.Н. Мирошник ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Разработана модель радиоуправляемого электромобиля с независимым задним приводом, возможностью телеметрии тока и скорости движения на пульт-передатчик. Коммуникация основана на двух приемо-передатчиках nRF24L01+. Ключевые слова: элктропривод, микроконтроллер, регулятор тока, электромобиль, дистанционное управление A model of a radio-controlled electric vehicle with independent rearwheel drive, the ability to telemetry current and speed of movement to the remote transmitter. The communication is based on two transceivers nRF24L01 +.

Keywords: electric drive, microcontroller, current сontroller, electric vehicle, remote control В настоящее время вопрос помощников водителя автомобиля полностью раскрыт. Помощники устанавливаются сейчас не только в автомобили премиум класса, бюджетный сегмент так же может иметь в оснащение систему помощи водителю как опцию, а некоторые бюджетные модели имеют системы помощи уже в базовой комплектации. Речь идет не о автоматических фарах, включающихся при недостаточном освещении либо о стеклоочистителях, срабатывающих в дождь. Имеется ввиду системы помощи водителю в экстренной ситуации, когда водитель может не успеть среагировать, а может и вовсе усугубить ситуацию своими действиями. Речь именно о таких системах как ABS, TRC и ESP [1]. Цель данных систем предотвратить ДТП и помочь водителю избежать экстренных ситуаций. Разработка подобных систем всегда начинается с уменьшенной модели. А так как электромобили все больше и больше захватывают рынок будет уместно использовать за основу именно модель, основанную на электротяге [2], а не бензиновую модель. Цель работы: разработка прототипа электромобиля для исследования процессов движения по поверхности с низким сцеплением. Модель (рис.1) разрабатывалась на основе микроконтроллера STM32F103C8T6. По цене контроллер сопоставим с 8 битными чипа-

138

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ми от компании Atmel, но по характеристикам является более предпочтительным [3].

Рис. 1 – Модель радиоуправляемого электромобиля Она оснащена двумя электродвигателями, выполняющими функцию независимого заднего привода с целью усложнения движения. Также для увеличения мощности двигателей используются повышающие преобразователи с 16 В (аккумулятор) до 36 В. На каждый двигатель установлены датчики ACS712X05B для управления моментом колес. Для контроля скорости на колеса установлены дискретные датчики на эффекте Холла A3144 (8 шт). На основе данных датчиков уже возможно реализовать ABS и TRC системы, то есть те системы которые препятствуют скольжению колес. Основой радиосвязи между пультом управления и моделью является приемо-передатчик nRF24L01+. Модуль работает в частоте 2.4 ГГц и имеет возможность передавать данные на скорости до 2 Мб/сек. Два модуля без усилителя сигнала могут поддерживать качественную связь в пределах 100 м на открытой местности, при условии если выбранный канал не имеет посторонних помех [4]. Для отслеживания телеметрии на пульт управления установлен энергосберегающий OLED дисплей диагональю 0.92″. Для управления моделью на пульте предусмотрено 3 потенциометра (руль, задание, настраиваемый параметр при отладке) и 3 переключателя (отладка).

139

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Наиболее простой подход к защите от заносов реализован за счет управления моментом каждого двигателя. Он реализуется за счет применения контура регулирования тока якоря [6]. Перед синтезом контура было осуществлено определение параметров двигателя: активное сопротивление 19 Ом (в режиме кз), постоянная времени якорной цепи (0.5 мс). Поскольку инерционность якоря достаточно маленькая регулятор тока нужно выбирать интегральным (рис.2). х10к

Iз 0 – 2 А 0 - 380

ɣ

+65535 -65535

И РТ

Драйвер 0 – 35 В

+380 -380

М

ДТ

Рис. 2 – Функциональная схема контура тока Результаты настройки контура тока иллюстрируют переходные характеристики (рис.3-4). Из рисунков видно, что уровень шума датчиков сопоставим с значением тока и составляет почти +-100 мА. При высоких значениях коэффициента интегрирования, быстродействие регулятора возрастает, но в установившемся режиме работы возникают крайне нежелательные колебания. В следствие этого необходимо жертвовать быстродействием в пользу качества переходных процессов.

V A 2.6

2.55

0.1 2.5 0 2.45

2.4

0

0.2

0.4

0.6

t, c

0.8

1

1.2

Рис. 3 – Отработка контура тока 100 мА

140

1.4

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ V A 2.7 2.65 2.6 0.7 2.55 2.5 0 2.45 2.4 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 t, c

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Рис.4 – Отработка контура тока 700 мА При ухудшении быстродействия возникает ограничение рывка, которое способствует нормальному движению колес. Также для реализации системы ESP предусмотрен датчик mpu9250, однако в данной работе не рассматривается. Выводы 1. В ходе выполнения данной работы была разработана радиоуправляемая модель электромобиля с задним двухдвигательным электроприводом.

2. Реализован и настроен контур тока на основе датчика ACS712x05B. В дальнейшем следует добавить в систему многоосевой датчик ориентации в пространстве для определения сноса с траектории движения.

Перечень ссылок 1. Зачем нужна система стабилизации ESP [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://auto.ria.com/news/autoservice-technology/221280/chto-takoe-sistemaesp-i-zachem-ona-nuzhna.html.

2. https://www.tesla.com/ [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.tesla.com/.

3. STM32 blue pill [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://wiki.stm32duino.com/index.php?title=Blue_Pill.

4. nRF24L01+ [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/SMD/nRF24L01Pluss_Preliminary_ Product_Specification_v1_0.pdf.

5. Синтез регулятора тока [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://studbooks.net/1828457/matematika_himiya_fizika/sintez_regulyatora_toka.

141

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62- 83

АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СРЕДНЕСОРТНОГО СТАНА В.Ф. Борисенко, В.А. Сидоров, А.И. Землянский ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье проанализированы результаты экспериментального исследования работы электромеханических систем среднесортного стана. Отмечается стабильность функционирования механического и электромеханического оборудования, нагрузка приводов при прокатке технологического сортамента лежит в пределах (50 – 70)% номинальной, т.е. имеет место достаточный запас по мощности. Ключевые слова: Электромеханическая система, нагрузка, клеть, привод.

The results of an experimental study of the work of electromechanical systems of a medium grade mill are analyzed in this article The stability of the functioning of mechanical and electromechanical equipment is noted, the load of the drives during the rolling of a technological mix lies within 50–70 percent of nominal, i.e. there is enough power reserve.

Key words: Electromechanical systems, load, stand, drive. Среднесортный стан находится в эксплуатации длительное время и отвечает тем требованиям, которые к нему предъявляются. Временами имеют место поломки, шероховатости при перенастройке стана на новый сортамент. Анализируя технологические параметры и данные систем электроприводов в промежутках 8-й – 11-й клетей можно заметить, что моменты инерции электромеханических систем изменяются, практически, скачками; такой характер не соответствует оптимальному закону изменения величин по линии стана. Отмечается, что поломки в районе 10-й клети имели место чаще, чем по другим клетям линии стана. Пуск клетей линии стана осуществляется поочередно вхолостую. Для каждой клети устанавливается расчетное задание,соответствующее прокатываемому сортаменту. После пробной прокатки заготовки вводятся корректирующие поправки в задания скорости и начинается технологическая прокатка требуемого сортамента.

142

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Первая клеть, как правило, используется в режиме «окалиноломателя» и поэтому характер задания на неё отличается от последнего для других клетей. Линия стана предполагает чередование горизонтальных (нечетные) и вертикальных (четные) клетей. Горизонтальные клети имеют более массивный фундамент по сравнению с вертикальными, т.е. обладают большей жесткостью. Для двигателей черновой группы клетей номинальная частота вращения nн=500 об/мин, а максимальная – nмакс = 1000 об/мин (см. табл. 1). В то же время допустимые частоты вращения двигателей по технологическим условиям по клетям nдоп меньше nмакс. Таблица 1 – Технические данные возможностей приводов клетей № клети 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

nmin, min-1

nн , min-1

nmax, min-1

50

500

1000

50

500

1000

50

320

1000

nдоп, min-1 745 811 825 809 790 846 885 853 876 848 864 897 900 822 880 843 772 706

D1 (V=var)

10

10

6,4

D2 Iвmax / (Ф=var) Iвmin,A 1,49 1,62 1,65 19,5/8,5 1,61 1,58 1,69 1,77 1,7 1,75 28/14 1,69 1,72 1,79 2,81 2,56 2,75 40/9 2,63 2,41 2,2

DΣ=D1D2 14,9 16,2 16,5 16,1 15,8 16,9 17,7 17 17,5 16,9 17,2 17,9 17,9 16,38 17,6 16,8 15,4 14,08

Ток возбуждения приводных двигателей клетей черновой группы может изменяться в диапазоне – 19,5/8,5 А. Следует предположить, что при больших частотах вращения система будет склонна к развитию параметрического резонанса, что приведет к существенному росту динамических нагрузок в элементах привода. Сопоставляя nдоп клетей №1-6 с номинальной частотой, можно констатировать, что работа приводных двигателей лежит во 2-й зоне, когда регулирование (подрегулирование) осуществляется за счет

143

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ослабления поля двигателя – Ф < Фн . Существенное увеличение частоты вращения за счет ослабления поля двигателя Ф говорит о том, что двигатель переходит на работу на линейном участке кривой намагничивания,когда Фв = в в . Для этого случая уравнение механической характеристики двигателя примет вид: =

Ф

∑ я Ф

−

(1)

или =

пр

−

в в

пр

Σ в

(2)

Σ в

в

=

∑ я

−

=

Σ

∑ я

(3)

Σ в

Допустимые частоты вращения nдоп для двигателей клетей №1 - 18 по технологическим требованиям приведены нарис. 1. Проход заготовки через 1-ю клеть связан, в основном, со сбивом окалины и подготовкой слитка к входу во вторую клеть. Начальная частота вращения двигателя перед набросом нагрузки на 1-ю клеть составляет 625 об/мин. В момент наброса нагрузки происходит резкое увеличение задания на скорость с 0,245 м/с до 0,287 м/с (за счет ослабления поля двигателя Ф) и, как следствие, скачок скорости приводного двигателя с 625 об/мин до 737,5 об/мин; после чего задание снижается, практически, до задания холостого хода, скорость двигателя также приближается к значению nхх и держится на этом уровне до периода tп, когда задание падает до 0,24 м/с, а скорость двигателя – до 615 об/мин. После периода tп задание на скорость клети и скорость двигателя возрастает до значений, имеющих место перед набросом очередной нагрузки на клеть №1. В момент окончания спада задания на скорость 1-й клети происходит вход заготовки во вторую клеть – этот момент хорошо просматривается на осциллограмме скорости приводного двигателя 1-й клети – имеет место небольшая просадка скорости n = (5 - 7) об/мин.

144

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 1000 900 800 700 600 nн,

500

min-1

nдоп, min-1

400 300 200 100 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Рис. 1 – Допустимые частоты вращения электродвигателей клетей прокатного стана nдоп При набросе нагрузки на вторую клеть (рис. 2) скорость ее приводного двигателя составляла 683,5 об/мин и продолжала расти до значения 685 об/мин, после чего имело место изменение задания скачком (малое), а затем резкое изменение задания и скорости до минимума. После паузы tп наблюдаются рост задания и скорости до момента выхода металла из второй клети. Далее следует небольшая пауза и происходит наброс нагрузки – процесс повторяется.

Рис 2 – Осциллограмма основных показателей при прокатке заготовки в клети №2 Нами обозначено время от наброса нагрузки на вторую клеть до спада задания и скорости до минимума через tнс↓, а время после паузы

145

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

tп через tнс↑. Необходимо отметить, что время паузы tп остается неизменным для всей последовательности клетей от первой по двенадцатую и характер изменения задания в периоды tнс↓ и tнс↑ также, практически, не меняется. Временные зависимости tнс↓ и tнс↑ двух групп клетей (черновой и промежуточной) приведены на рис. 3.

70 60 50 40 tнс, с 30

tнс¯, с

20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Рис. 3 – Зависимости tнс↓и tнс↑ для первой и второй групп клетей Время прокатки заготовки каждой клетью лежит в районе 62 с (tнс↓ + tнс↑ + tп). Возможности по изменению величин, заложенные в системы электропривода, приведены в таблице 1. Ниже представлены осциллограммы работы линии стана при прокатке двух видов сортамента, рис. 4 – 6.

Рис. 4 – Осциллограмма прокатки заготовки в клети №9.

Рис. 5 – Основные величины при прокатке заготовки в клети №11 промежуточной группы

146

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 6 – Характер изменения текущих показателей при прокатке заготовки в чистовой клети №18 Точная оценка изменений темпа, скоростей и токов приводных двигателей клетей в переходных режимах затруднена из-за недостаточного масштабирования величин. Величины, зафиксированные на отметках времени t1 – t2, констатируют лишь участки с текущими значениями задания, скорости и тока и их изменениями от одной заготовки к другой. Отсутствие в записи тока возбуждения не дает возможности в полной мере произвести анализ энергосиловых показателей. Можно предположить, что в задании на клеть косвенно присутствует ток возбуждения. Это хорошо прослеживается, например, со 2-й по 12-ю клети (рост задания на клеть – снижение потока возбуждения). Максимальные и минимальные величины задания на скорости клетей, а также их относительные величины приведены в таблице 2, а кривая изменения ∆Vзад.отн, % показана на рис. 7.

20 15 10 5 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Рис. 7 – Изменение относительной скорости по клетям стана (∆Vзад.отн) Изменение задания на скорость имеет периодический характер (период 64 с) и может быть описано полиномиальным уравнением 4-й степени: = + " #+ # "+ +$ (4) Например, для клети №9 по усредненной кривой задания на скорость получено следующее полиномиальное уравнение: = −3 ∗ 10)* + 2 ∗ 10), # + 5 ∗ 10) " + 6,2 + 2,5126.

147

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 2 – ЗначенияVзад мин, Vзад макс, ∆Vзад отнпо клетям Задание на скорость, м/с Vзад.мин.

Vзад.макс.

0,2408 0,2887 0,3163 0,3225 0,4346 0,4431 0,5902 0,6017 0,7797 0,7925 1,012 1,0318 1,3647 1,3927 1,8342 1,8719 2,5 2,5513 3,3526 3,4161 4,4074 4,4989 5,79 5,8991 6,6532 7,065 8,0963 8,217 9 9,598 9,55 9,9328 11,2968 11,532 14,073 14,4893

Клеть 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

∆Vзад, % 16 1,9 1,9 1,9 1,6 1,9 2 2 2 1,9 2 1,85 5,8 1,5 6,2 3,85 2 2,9

Следует отметить, что изменение задания на скорость клетей №2 – 12 происходит не синхронно с прокаткой заготовки в этих клетях. Ранее указывалось на неоптимальный характер изменения механических величин(J, Jw2\2) в интервале клетей 8 – 12 ,что привело к неадекватному характеру изменения скоростей в межклетьевых промежутках последующей группы клетей (чистовой). Характер изменения скоростей прокатки в межклетьевых промежутках дан на рис. 9.

4 3,5 3 2,5

Ряд1

2

Ряд2

1,5 Ряд 3

1 0,5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Рис. 8 – Скорость раската в межклетьевых промежутках Vпр.межкл

148

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Изменение скорости раската в межклетьевых промежутках черновой и промежуточной групп может быть описано с высокой степенью точности полиномиальной кривой 2-го порядка (рис.9, кривая 2): = $ 0 " − $" 0 + $# .

(5)

При условии равномерных обжатий в клетях стана (с 1-й по 18-ю) изменение скорости в межклетьевых промежутках может быть описано такой же кривой (рис.9, кривая 3). В клетях черновой и промежуточной групп выполняется предварительное обжатие металла. Из последней промежуточной клети (№12) в чистовую группу поступает круг. В клетях №13 – 15 производится подготовка раската к продольному разделению. В результате этого наблюдается значительное снижение скорости раската в межклетьевых промежутках с 12-й по 15-ю клеть (рис.9,кривая 1, точки 12 – 14). В 16-й клети происходит окончательное разделение раската на две заготовки. При этом ток нагрузки привода клети равен 0,03*Iн16, а скорости 15-й и 16-й клетей практически совпадают (9,462 и 9,934 м/с). В клетях №17 и 18 производится калибровка полученных заготовок на заданное сечение. Анализ временных показателей прохождения заготовки по группам клетей приведен ниже в таблицах 3 и 4. Таблица 3 – Длительность прокатки первой заготовки 1 2 3 4 5 6

Черновая группа 01:01.70 (61,7 сек) 01:02.00 (62 сек) 01:02.40 (62,4 сек) 01:02.40 (62,4 сек) 01:02.00 (62 сек) 01:01.81 (61,8 сек)

Промежуточная группа 7 01:00.93 (60,93 сек) 8 01:00.83 (60,83 сек) 9 01:00.83 (60,83 сек) 10 01:00.83 (60,83 сек) 11 01:00.73 (60,73 сек) 12 01:00.93 (60,93 сек)

13 14 15 16 17 18

Чистовая группа 01:00.60 (60,6 сек) 01:00.60 (60,6 сек) 01:00.24 (60,24 сек) 01:01.19 (61,19 сек) 01:00.83 (61,55 сек) 01:01.31 (61,31 сек)

Таблица 4 – Время прохождения передним концом 1-й заготовки межклетьевых промежутков Черновая группа 1–2 9,55 сек 2–3 6,97 сек 3–4 5,3 сек 4–5 3,63 сек 5–6 3 сек 6–7 11,1 сек

Промежуточная группа 7–8 2,29 сек 8–9 1,77 сек 9 – 10 1,04 сек 10 – 11 0,94 сек 11 – 12 0,73 сек 12 1,75 сек

Чистовая группа 13 – 14 0,6 сек 14 – 15 0,71 сек 15 – 16 0,48 сек 16 – 17 0,36 сек 17 – 18 0,24 сек

Одним из основных диагностических показателей при работе электромеханической системы является ток приводного двигателя. Проанализируем диапазон изменения тока якоря приводных двигате-

149

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

лей клетей заготовочного стана, а также характер его изменения при одновременной прокатке сортамента несколькими клетями. В момент захвата 1-й заготовки клетью №1 ток якоря приводного двигателя кратковременно возрастает до значения 0,55*Iян1. После окончания переходного процесса значение тока якоря снижается до уровня (0,375 - 0,44)*Iян1 и находится в этих пределах в течение 14 с. Далее ток плавно увеличивается до (0,39 – 0,48)Iян1. При входе заготовки во вторую клеть ток якоря кратковременно достигает значения 0,48*Iян2,после окончания переходного процесса он снижается до 0,45*Iян2 и остается на этом уровне в пределах 2 с. Далее Iя2 плавно возрастает до (0,6– 0,63)*Iян2. В интервале 07:41:57.43 – 07:42:48.5 заготовка находится одновременно в 1-й и 2-й клетях. В этом случае имеет место так называемый режим «подпора», когда скорость переднего конца заготовки, выходящей из валков клети №1 больше скорости валков клети №2. Далее скорость валков клети №2 возрастает быстрее, чем скорость валков клети №1,что приводит к снижению «подпора» и росту тока якоря электродвигателя второй клети. Кривая тока якоря имеет слабо выраженный колебательный характер. Частота колебаний находится в районе 0,15 Гц. Вход первой заготовки в третью клеть также сопровождается режимом «подпора», ток якоря при захвате переднего конца лежит в районе 0,53*Iян3, после окончания переходного процесса – Iя3 = (0,5 – 0,53)*Iян3. При выходе заготовки из 3-й клети и её входе в 4-ю – Iя3 =0,667*Iян3; режим подпора в межклетьевом промежутке длится порядка 1,5 с. В интервале одновременной прокатки заготовки в клетях №№2, 3, 4 величина тока якоря приводного электродвигателяне превышает (0,5 - 0,645)*Iян3. Ток якоря в процессе прокатки имеет слабо выраженный колебательный характер, частота колебаний в районе 0,1 Гц. Для 4-й клети характер изменения тока двигателя аналогичен последнему для 3-й клети. Захват переднего конца заготовки валками клети №4 также характеризуется режимом «подпора», при этом ток якоря лежит в районе 0,58*Iян4,а к концу переходного процесса несколько снижается до 0,55*Iян4. Время режима «подпора» – (0,6 – 1,8) с. Одновременная прокатка заготовки в клетях №2 – 4 характеризуется плавным возрастанием значением тока нагрузки от 0,53 до 0,612Iян4. После выхода 1-й заготовки из валков клети №3 ток нагрузки привода 4-й клети снижается до величины 0,516*Iян4. Следовательно, одновременная прокатка заготовки в клетях №3 и 4 ведётся с небольшим натяжением.

150

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Ток якоря двигателя 5-й клети имеет также слабо выраженный колебательный характер. Ток якоря при захвате заготовки и в конце переходного процесса на уровне 0,695*Iян5. После выхода 1-й заготовки из валков 4-й клети ток нагрузки снижается до уровня 0,6*Iян5, т.е. одновременная прокатка заготовки в клетях №4 и 5 ведётся с натяжением. Значение тока якоря при входе заготовки в 6-ю клеть на 20% превышает Iяуст. При переходе заготовки из черновой в промежуточную группу клетей ток якоря двигателя 7-й клети не превышает 0,6*Iян. Это значение, в качестве среднего, просматривается и для приводных двигателей клетей №№ 8 – 12. Выводы:

− В настоящее время стан работает ритмично − Задания на 1-ю и 13-ю клети существенно отличаются от последних для других клетей − Большие обжатия реализуются на нечетных клетях (горизонтальных) − Не удается реализовать оптимальный закон распределения обжатий по линии стана − Приводные двигатели клетей работают в облегченном режиме – нагрузка лежит в районе (50 – 70) %, двигатели выбраны со значительным запасом по мощности − Для получения реальной картины изменения регистрируемых величин частота фиксации должна быть повышена в сотни раз − Отсутствует запись токов возбуждения приводных двигателей клетей

Перечень ссылок 1. Борисенко В.Ф., Сидоров В.А., Землянский А.И. Исходные данные для анализа электромеханической системы взаимосвязанных клетей. Горные науки и технологии. 2017;(4):40-50. https://doi/org/10/17073/2500-0632-2017-4-40-48

151

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.314

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ПРИМЕРЕ СОЛНЕЧНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Д. О. Петренко, А. В. Левшов ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» В работе рассмотрено устройство для измерения параметров электрической цепи постоянного тока на примере солнечного фотоэлектрического преобразователя. Ключевые слова: ФЭП, солнечная панель, Arduino, ток, напряжение, мощность, энергия, время.

The paper considers a device for measuring the parameters of a DC electric circuit on the example of a solar photovoltaic cell.

Keywords: photovoltaic cell, solar panel, Arduino, current, voltage, power, electricity, time. Актуальность. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) находят все более широкое применение. Одним из наиболее действенных и эффективных видов ВИЭ является солнечное излучение. Для прямого преобразования энергии солнечной радиации используют фотоэлектрические преобразователи, например, на базе кремниевых планарных полупроводниковых структур. Для оперативного контроля и автоматизации работы солнечных электростанций (СЭС) необходимо иметь информацию о величинах генерируемого тока и напряжения солнечной панели в цифровом виде, что позволяет в полной мере использовать компьютерные технологии для решения поставленных задач. Цель работы. Разработать устройство для измерения параметров СЭС с возможностью вычисления мощности и величины электроэнергии. Задача состоит в том, чтобы измерить значения тока I, напряжения U, посчитать мощность Р и вывести их на LCD дисплей, а так же определить генерируемую мощность и записать эти параметры для сохранения информации на энергонезависимый носитель информации. Кроме того, необходимо предоставить пользователю возможность узнать сгенерированную электроэнергию за выбранный им промежуток времени.

152

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Известны различные способы измерения параметров цепей постоянного тока (ПТ): датчики холла, шунты, делители и др. В случае измерения величины постоянного тока, самым дешевым и простым способом является шунт. Недостатком данного способа является отсутствие гальванической развязки между измерительной и силовой цепью, неидеальность материала шунта приводит к искажению результатов измерения из-за воздействия тепловых и других физических параметров, а так же, при больших токах, шунт рассеивает некоторую часть энергии в виде тепла, что уменьшает эффективность измерения. Все эти недостатки нивелируются датчиками тока на эффекте Холла, которые имеют гальваническую развязку силовой и измерительной цепи, низкое сопротивление (десятые и сотые доли Ома), низкую погрешность измерений в широких диапазонах температур. С учетом указанных преимуществ, для измерения тока был выбран датчик на основе эффекта Холла. Для измерения постоянного напряжения используют: делители напряжения или датчики с гальванической развязкой. Делители, при правильном их расчете, имеют лишь одни недостаток: отсутствие гальванической развязки. Не смотря на то, что датчики лишены этого недостатка, они значительно дороже, поэтому для измерения напряжения был выбран делитель. Принципиальная схема разработанного устройства показана на рис. 1 и содержит: 1. Arduino Nano – плата разработки на базе микроконтроллера ATmega328p, выполняющая все основные вычислительные функции и алгоритмы отображения и записи данных; 2. Solar cell – солнечная панель, на выход которой подключена нагрузка Rload и делитель напряжения из резисторов R3, R4 для АЦП Arduino.

3. DS1302 – модуль часов реального времени [2], позволяет вести счет времени независимо от основного контроллера, имеет автономной источник питания, благодаря чему счет времени не остановится, даже при обрыве питания контроллера; 4. LCD – дисплей для визуализации процессов измерения, на него выводятся I, U, P и другие параметры цепи, кроме того служит для отображения вводимых данных в контроллер, имеет разрешением 16 на 2 символов [3]; 5. SD – модуль с SD картой [4], обеспечивает энергонезависимое хранение данных, запись которых ведется один раз в секунду; 6. ACS 712 – датчик тока с максимальным пределом в 30А [5], с него снимаются данные о текущем значении тока в цепи;

153

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

7. Клавиатура – служит для ввода данных в микроконтроллер, выполнена со срабатыванием по уровню, поэтому имеет всего 3 выхода и подключена к АЦП контроллера. На выходе датчика тока формируется сигнал Uout, пропорциональный току в измеряемой цепи. При нулевом токе в цепи сигнал Uout равен половине напряжения питания Ucc=5В. Заявленная чувствительность датчика – 66мВ/А, а разрядность АЦП – 8 бит или 1024 значения с опорным напряжением Ucc=5 B, поэтому начальное значение АЦП входа А5 соединенного с датчиком тока равно 512. Значение тока вычисляется в соответствии с выражением:

I=

ADC(I) − 512 Vcc , 0.066 1024

где ADC(I) – значение, считываемое АЦП с входа А5. Значение напряжения, получаемого с делителя, вычисляется следующим образом: V U = ADC(U) cc ⋅ Kd , 1024 где Kd – коэффициент делителя; ADC(U) – значение, считываемое АЦП с входа А6. После получения напряжения и тока по известному выражению [1] вычисляется мощность: P=UI. Значение P и соответствующий момент времени записываются на SD карту с дискретностью в 1 секунду. На рисунке 2 представлена блок-схема основного алгоритма работы устройства, а на рисунке 3 – блок-схема прерывания. Так как запись значений происходит каждую секунду в программном прерывании, интегрирование значительно упрощается. Для определения мощности генерируемой СЭС можно воспользоваться формулой: t end

∑ Pi ⋅ t i

E=

i= t st

3600

154

,

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 1 – Принципиальная схема установки где Е – электроэнергия, Вт ⋅ час ; Pi – мгновенная мощность в i-ю секунду, Вт; ti – i-я секунда, с; tst – начальное время; tend – конечное время ;

155

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 2 – Блок-схема основного алгоритма Для примера пусть начальное время в формате (ЧЧ:ММ:СС) равно tst = 00:00:10, а конечное tend=00:02:10. То есть, время, за которое нужно проинтегрировать энергию – 2 минуты или 120 секунд и соответствующие им 120 значений P. На рисунке 4 приведено содержимое файла с записанным временем и мощностью. Формат записи данных выглядит так: ЧЧ:ММ:СС/МОЩНОСТЬ;(конец строки). Это сделано для упрощения обработки текста алгоритмом программы. Испытание работы лабораторного образца устройства производилось при изменении напряжения и тока на выходе блока питания постоянного тока, имитирующего СЭС. Было получено 37 точек (за 37 секунд) мгновенной мощности Р с дискретностью в 1 секунду. Результат представлен на рисунке 5.

156

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 3 – Блок-схема прерывания Выводы Было разработано и изготовлено цифровое устройство для измерения параметров работы цепи ПТ СЭС (I, U, P, E). В устройстве используется плата Arduino на базе микроконтроллера ATmega328p. Устройство позволяет измерять параметры цепи с интервалом в 1 секунду и обеспечивать их хранение длительный период времени.

Перечень ссылок 1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. - М.: Высшая школа, 1978.

2. DS1302 – схема подключения к Arduino // Электронный ресурс.- Режим доступа: https://voltiq.ru/ds1302-rtc-and-arduino/ 3. Подключаем LCD-дисплей на базе HD44780 к Arduino // Электронный ресурс.- Режим доступа: http://robocraft.ru/blog/arduino/503.html 4. Подключение sd карты к ардуино // Электронный ресурс.- Режим доступа: https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/podklyuchenie-sd-karty-k-arduino/ 5.

ACS712 datasheet // Электронный ресурс.- Режим доступа: https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/0712.pdf

157

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 4 – Фрагмент файла с записанным временем и мощностью 18 16 14

P, Wh

12 10 8 6 4 2 0

0

5

10

15

20 t, sec

25

30

35

40

Рис. 5 – График мгновенной мощности

158

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.3.078:62-83

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С МОДАЛЬНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ И ТРЁХКОНТУРНОЙ СИСТЕМЫ ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ А.В. Адарченко, П.И. Розкаряка ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» В работе рассматривается синтез системы управления позиционного электропривода с модальным регулятором. Приведен сравнительный анализ переходных процессов системы подчиненного регулирования и системы с модальным регулятором. Оценивается эффективность модального управления в системах позиционирования по сравнению с традиционными регуляторами и способами управления. Ключевые слова: электропривод, система подчиненного регулирования, модальный регулятор This paper shows the design of a positional electric drives with a modal regulator. The transient analysis and comparison for the system of cascade control and system with the modal regulator. The effectiveness system of modal control in positioning systems compared to traditional regulators and operation control is evaluated.

Keywords: electric drive, cascade control system, modal regulator. В настоящее время повышение качества технологического процесса и, как следствие, выпускаемой продукции производственных отраслей невозможно представить без применения регулируемых позиционных приводов. Такие электроприводы в настоящее время получили широкое применение в робототехнических устройствах и металлообрабатывающих станках. Основными показателями качества позиционных систем являются точность позиционирования и быстродействие. Поэтому вопрос повышения быстродействия таких систем остается актуальным и ему уделяется большее внимание. В классической системе подчиненного регулирования (СПР) быстродействие снижается с увеличением количества контуров, что является основным недостатком СПР, поэтому на практике она выполняется с числом контуров не более двух, реже – трех. Одним из наиболее эффективных методов придать системе точность в динамических режимах и обеспечить предельное быстродействие является использование модального регулятора (МР). Системы с МР рекомендуют применять в случаях, когда регулирование технологического па-

159

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

раметра привычными способами, такими как ПИ-регуляторы, неэффективно. Такими, например, являются многомассовые системы управления электропривода, в которых из-за большого числа контуров стабилизация по выходной координате не отвечает требованиям по быстродействию [1]. Цель работы – синтез системы управления позиционного электропривода с модальным регулятором, а также её сравнительный анализ с трёхконтурной системой подчиненного регулирования. Основной идеей систем с модальным управлением является принцип замыкания системы по максимальному числу переменных состояния, таким образом, чтобы характеристический полином результирующей структуры имел желаемые свойства (быстродействие, перерегулирование) [2]. Количество координат в объекте управления обычно равно порядку дифференциального уравнения. В рамках проведения исследования был осуществлен синтез и анализ нескольких систем регулирования положения с МР. Рассматривались различные структуры систем с МР неполного и полного порядка. После сравнительного анализа полученных результатов моделирования выявлена система с наилучшим быстродействием. Структурная схема такой системы электропривода с МР приведена на рис. 1. Она представляет собой систему модального управления полного порядка без контура тока. Количество обратных связей равно порядку системы.

Рис. 1 – Структурная схема системы электропривода с МР На рисунке обозначены: ЗП – задатчик положения; ТП – тиристорный преобразователь; Т M – электромеханическая постоянная времени привода; Т Я – электромагнитная постоянная времени цепи якоря; Т µ – малая некомпенсируемая постоянная времени; kV – ко-

160

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

эффициент тиристорного преобразователя; k1 , k 2 , k3 , k 4 – коэффициенты модального регулятора. Рассмотрим синтез модального регулятора для структурной схемы, приведенной на рис. 1. По формуле Мейсона найдем передаточную функцию системы: K ( p) =

W1W2W3W4 1 + k1W1 + k 2W1W2 + k3W1W2W3 + k 4W1W2W3W4 + W2W3c

(1)

kv 1 / RЯ RЯ 1 , W2 = , W3 = , W4 = .

Tµ p + 1 TЯ p + 1 cTM p p Характеристический полином системы имеет следующий вид: G ( p) = a1 p 4 + a 2 p 3 + a3 p 2 + a 4 p + a5 (2) где a1 = cTM TЯ Tµ ;

где W1 =

a2 = (TЯ + Tµ )cTM + kV k1cTM TЯ ;

a3 = cTM + cTµ +

k v k 2 cTM + k v k1cTM ; RЯ

a4 = c + k v k3 ; a5 = k v k 4 . Приведем выражение (2) к виду, в котором старшая степень имеет единичный коэффициент G ( p) = p 4 +

a a2 3 a3 2 a4 p + p + p+ 5 a1 a1 a1 a1

(3)

Коэффициенты модального регулятора выбираем из условия желаемого распределения полюсов передаточной функции замкнутой системы. В качестве желаемого воспользуемся биномиальным распределением для четвертого порядка характеристического полинома [2]: 3 G4 ( p) = p 4 + 4 p 3ω0 + 6 p 2ω02 + 4 pω0 + ω04 (4) Основным преимуществом биномиального распределения полюсов является отсутствие перерегулирования [3]. Чем больше среднегеометрический корень, тем более быстродействующей будет проектируемая система. В следствие чего среднегеометрический корень фильтра выбран эмпирически для получения более высокого быстродействия по сравнению с СПР: 1 ω0 = (5) Tµ

161

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Исходя из (3) получим выражения для коэффициентов МР: 4ω T T − TЯ − Tµ k1 = 0 Я µ kV TЯ

(6)

(6ω02TM TЯ Tµ − TM − Tµ − kV k1TM ) ⋅ RЯ k2 = kV TM

(7)

4ω03cTM TЯ Tµ − c k3 = kv

(8)

k4 =

ω04 cTМ TЯ Tµ

(9) kv Сравним показатели качества переходных процессов трехконтурной СПР (рис. 2) и системы с МР (рис. 1). Обе системы выполнены в абсолютных единицах.

Рис. 2 – Трехконтурная СПР На рисунке обозначены: РП – пропорциональный регулятор положения; РС – пропорциональный регулятор скорости; КРТ – свернутый контур регулирования тока; Т РП – постоянная времени регулятора положения; Т С – постоянная времени скорости; kt – коэффициент обратной связи по току. Коэффициенты обратных связей по скорости и по положению принимаем единичными, поэтому на структурной схеме они не обозначены. Параметры регулятора скорости выбираем из условия “модульного оптимума”: TТ = 2Tµ , TC = 2TТ = 4Tµ (4) Другие параметры систем примем равными: TЯ = 0.0797 , TМ = 0.1 , Tµ = 0.005 , TРП = 2Т C , k РП =

1 Т РП

, kt = 1 .

На рис. 3 приведен график ошибки по положению в рассматриваемых системах. Исходя из графика, ошибка по положению в системе с

162

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

МР составляет 1% от задания, а в СПР – 2%. В ходе дополнительных исследований было установлено, что величина ошибки прямо пропорциональна величине среднегеометрического корня. ,% 2.5 2 1.5

СПР

1 0.5

МР 0 -0.5

t, c 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Рис 3 – График ошибки по положению системы с МР и СПР: синим цветом – без нагрузки на валу двигателя; красным – с постоянно действующей реактивной нагрузкой Из анализа графиков (рис. 4) видно преимущество системы с МР над СПР, в которой ниже быстродействие. Эти графики иллюстрируют возможность достижения в системе с МР очень малого перерегулирования по току (12 %), по сравнению с СПР (26 %), при достаточно высоком быстродействии.

1.6

I Iн

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

t, c

н 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Рис. 4 – Переходные процессы при постоянно действующей реактивной нагрузке на вал двигателя в СПР (пунктирные линии) и в системе с МР (сплошные линии)

163

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Дотягивание тока после спадания скорости до нуля (рис. 4) можно объяснить тем, что из-за наличия ошибки по положению появляется задание на скорость, которое в последствии формирует задание на ток. Анализ графиков переходных процессов (рис. 5) и графика ошибки (рис. 3) также показывает, что система с модальным регулятором является более быстродействующей чем СПР и в ней отсутствует перерегулирование. Системы с МР обладают известным недостатком – отсутствие возможности ограничивать внутренние координаты (скорость, ток). Эту проблему можно решить, введя дополнительную обратную связь по току, реализующую токовую отсечку, что является целью дальнейших исследований. н 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2

t, c 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

а) I Iн 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6

t, c 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

б) Рис. 5 – Переходные процессы при отсутствии нагрузки на валу двигателя в СПР регулирования (пунктирные линии) и в системе с МР (сплошные линии): а) скорость, б) ток

164

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок 1. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2015. – 373. с.

2. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: “Машиностроение”, 1976, 184 с.

3. Захаров А.В., Бажутин Д.В. Анализ переходных процессов в системе модального управления трехмассовой электромеханической системой / Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 22-25 мая 2018 г. – Донецк: ДонНТУ, 2018. Т. 2: Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. – 2018. – с. 72-75.

165

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311.6.03

ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В.В. Нечепоренко, Э.Г. Куренный ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Приводятся результаты осциллографирования напряжения и тока двигателя при колебаниях напряжения. Показано, что активная и реактивная мощности имеют двумерное нормальное распределение. Рассмотрены вопросы планирования экспериментальных исследований. Ключевые слова: ЭМС, колебание напряжения, синхронный двигатель, вероятностная модель.

The results of oscillography of voltage and current of the motor under voltage fluctuations are presented. It is shown that the active and reactive power have a two-dimensional normal distribution. The questions of planning of experimental studies are considered.

Keywords: EMC, voltage fluctuation, synchronous motor, probabilistic model. В стандарте на ЭМС [1] нормируются колебания напряжения (КН) только для оценки фликера. Эти нормы нельзя рассматривать применительно к синхронным двигателям (СД). Поэтому задача оценки влияния КН на СД является актуальной. Целью работы является разработка вероятностной модели параметров режима СД при КН на основе экспериментальных исследований, а также их планирования. Изложение ведется на примере двигателя ДСП 140/74-4 привода газоочистки металлургического завода с номинальными данными: напряжение 6 кВ, мощность Рн = 2 МВт, Iн = 225 А, cosφн = 0,9(емк.), частота вращения n0 = 1500 об/мин, ток возбуждения Iв.н = 450 А. При отсутствии КН двигатель имеет неизменную механическую нагрузку на валу, а, следовательно, неизменные параметры режима. Рассматриваемый СД питается от общих шин 6 кВ с мощным СД электропривода блюминга, который имеет резкопеременную нагрузку. При этом создаются КН на шинах, которые влияют и на СД газоочистки. Исходными данными для исследования являются осциллограммы мгновенных значений i тока и u напряжения при

166

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

разных токах возбуждения. Средняя длительность осциллограммы равна 20 циклам tƒ = 0,02 с. синусоиды частотой 50 Гц. По каждой осциллограмме были определены мощности P, Q; ток статора I и cosφн. На рис.1 в осях (P, Q) светлыми кружками показаны пары значений мощностей в каждом цикле. Были рассчитаны следующие числовые характеристики мощностей: средние значения Pс = 1,61 МВт, Qс = −1,06 Мвар; среднеквадратические отклонения (СКО) σP = 0,445 МВт и σQ = 0,081 Мвар, а также коэффициент корреляции ρ = −0,237. Точка М имеет координаты (Pс, Qс).

Рис. 1 – Область опытных значений активной и реактивной мощностей СД газоочистки при Iв = 487 А Отрицательные значения Q свидетельствуют о том, что СД генерирует реактивную мощность в сеть. Коэффициент корреляции характеризует в среднем линейную связь. Здесь в среднем с увеличением активной мощности реактивная мощность уменьшается. Были построены функции распределения P и Q. Проверка по критерию Колмогорова показала, что они согласуются с одномерными нормальными законами распределения Pс, σP, Qс, σQ. Для совместной системы случайных величин P и Q необходимо учесть и коэффициент корреляции. В результате для системы можно принять двумерное

167

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

нормальное распределение, формулой (18.8 - 16) из [2]: ƒ P, Q =

1

плотность

которого

определяется

1 P−P [ 2 1−r σ 2πσ σ √1 − r 2r P − P Q − Q Q−Q − + ] σ σ σ exp{−

Теоретически область практически достоверных значений P и Q [3] представляет собой эллипс [2, (18.8 - 22)]: P−P σ

−

2r P − P Q − Q σ σ

+

Q−Q σ

= 1−r λ ,

здесь параметр λ связан с заданной вероятностью Еэл попадания точек (P, Q) в эллипс, длина осей которого определяется по этой вероятности. Угол поворота α1 оси эллипса ξ зависит от коэффициента корреляции. Угол α2 является дополнением α1 до 90º. Наибольший разброс наблюдается при номинальном токе возбуждения, а наименьший – в режиме недовозбуждения, когда СД потребляет реактивную мощность. В активном режиме наблюдается мощность Q меньше или больше нуля, хотя при отсутствии колебаний напряжения Q = 0. Разброс активной мощности объясняется тем, что КН вызывают качания ротора относительно n0. Это приводит к изменению момента на валу, который для привода газоочистки является вентиляторным, сильно зависит от частоты вращения ротора. КН вызывает дополнительные потери активной мощности как в СД, так и в сети. Статистический анализ параметров режима выявил недостатки выполненного осциллографирования, в первую очередь, малое количество точек (P, Q) для каждого значения тока возбуждения – от 20 до 23, хотя в литературе минимальное количество опытов рекомендуется принимать равным 50. В связи с этим выполненные эксперименты следует считать пробными. Для устранения недостатков предлагается использовать два числовых осциллографа, которые обеспечивают длительную запись в удобной для статистической обработки форме. Необходимо одновременно осциллографировать токи и напряжения исследуемого СД и СД привода блюминга с точной синхронизацией по времени. Требуется регистрация частоты вращения и тока возбуждения.

168

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы 1. Колебания напряжения приводят к качаниям ротора, момента сопротивления на валу, дополнительным потерям активной и реактивной мощностей в СД и сети электроснабжения.

2. Вероятностная модель параметров режима СД для каждого значения тока возбуждения представляет собой систему двух взаимно коррелированных случайных величин активной и реактивной мощностей, имеющих нормальные распределения.

3. При экспериментальных исследованиях необходимо осциллографировать напряжение, ток, частоту вращения, ток возбуждения СД. Для одного установленного тока возбуждения количество осциллограмм должно быть не менее 50.

Перечень ссылок 1. ГОСТ 32144 – 2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (EN 50160 : 2010, NEQ). – Введ. 01.07.2014.

2. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. – М. : Наука, 1970 – 720 с.

3. Дмитриева Е.Н. Принципы практической уверенности в задачах электроэнергетики. – Электричество, 2008, №8. – C. 15-21.

4. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М. : Наука, 1969. – 576 с.

169

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.313.332 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ КОРОТОГО ЗАМЫКАНИЯ В АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ В.С. Гармаш, Д.А. Дудниченко ГОУВПО «Донецкий Национальный Технический Университет» Работа посвящена исследованию параметров автономных энергетических систем в режимах короткого замыкания. Математическое моделирование автономной системы производилось с использованием программного комплекса MathWorks MATLAB. Ключевые слова: автономные энергетические системы, короткое замыкание, режим работы энергетической системы.

The work is devoted to the study of the parameters of autonomous energy systems in the short-circuit condition. Mathematical simulation of autonomous system are making with using MathWorks MATLAB bundle software.

Keywords: autonomous power systems, short-circuit, power system operation mode. Цель статьи. Исследование переходных и установившихся режимов работы автономной энергетической системы и разработка схем управления элементами системы. Постановка задачи. SmartGrid – концепция «умной» распределенной энергетики. Она предполагает создание на определенных территориях отдельных энергосетевых структур, обладающих собственных источниками энергии и способных взять на себя задачу удовлетворения спроса потребителей при максимуме пиковых нагрузок, когда центральная сеть не может его обеспечить. Отдельной чертой этого направления является использование возобновляемых источников энергии, которые с каждым годом, в связи с ухудшающейся экологической ситуацией, становятся все более и более актуальными. Результаты исследований. Разработка выполнена на основе теории математического моделирования переходных процессов автономных энергетических систем. Разработана модель автономной системы, позволяющая исследовать нормальные и аварийные режимы работы с учетом регуляторов возбуждения и частоты вращения дизель-генератора. Модель создана в среде Matlab / Simulink.

170

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Исследованы режимы: работа генератора на холостом ходу, подключение статической нагрузки на генератор, работающий на холостом ходу, работа регуляторов возбуждения и частоты вращения, короткое замыкание на выводах генератора. В качестве исследуемого был принят генератор из библиотеки Simulink мощностью 910 кВА, напряжением 400 В, номинальным током 1313А. Для моделирования режима к.з. генератора на холостом ходу может быть предложена модель рис.1

Рис. 1 – Модель синхронного генератора при коротком замыкании на холостом ходу

Рис. 2 – Результаты моделирования 3-х фазного к.з. генератора, работающего на холостом ходу

171

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Как видно из приведенной осциллограммы, значение ударного тока трёхфазного короткого замыкания составляет 10000А, его установившееся значение равно700 А. Аналитическое выражение расчета тока статора для режима 3-х фазного к.з. [1, стр. 197], определяется формулой: E  E   E'  E' +  q 0 − q 0  ⋅ e − t /T 'd −  q 0 − q 0  ⋅ e − t /Ta ⋅ cos ω t = xd  x ' d xd  xd   x 'd 1  1 1  − t /0,185  1 1  − t /0,04 = + − ⋅e − − ⋅ cos314t =  ⋅e 2,7  0, 23 2,7  0, 23 2,7  

is =

Eq 0

(1)

= 0,3704 + 3,977 ⋅ e − t /0,185 − 3,977 ⋅ e − t /0,04 ⋅ cos314t

где Eq0 = E'q0 = 1 о.е. Выполним сравнение тока статора, рассчитанного на модели Simulink с аналитической зависимостью (1).

Рис. 3 – Сравнение результатов расчета тока к.з в о.е.: Is-ток аналитической зависимости (1),Is1-ток модели Simulink.

172

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выполним аналитический расчет тока возбуждения при 3-х фазном к.з. Аналитическое выражение для режима 3-х фазного к.з. [1, стр.

199], определяется формулой if = if 0 + =1+

xd − x 'd uq 0 −t /T 'd xd − x 'd uq 0 − t /Ta e − e ⋅ cos ωt = xad x 'd xad x 'd

2,7 − 0,23 1 − t /0,185 2,7 − 0,23 1 − t /0,04 ⋅ e − ⋅ e ⋅ cos100π t = 2,68 0,23 2,68 0, 23

(2)

= 1 + 4,007 ⋅ e − t /0,185 − 4,007 ⋅ e − t /0,04 ⋅ cos100π t

где if0 = 1 о.е. (18А) – составляющая предшествующего тока возбуждения. Выполним сравнение тока возбуждения, рассчитанного на модели Simulink с аналитической зависимостью (2).

Рис. 4 – Сравнение результатов расчета тока к.з в о.е.: If-ток аналитической зависимости (2),If1-ток модели Simulink. В среде Simulink имеется модель регулятора возбуждения синхронного генератора Excitation System AC1A , которая соответствует европейскому стандарту IEEE- Standard 421.5-1992. Для моделирования режима к.з. генератора на холостом ходу с регулятором возбуждения может быть предложена модель рис.5

173

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Continuous powergui 6.76

sqrt(u(1)^2 + u(2)^2)

Vf

1 Constant3

Excitation System

Product sqrt(u(1)^2 + u(2)^2)

Vref

Us_basis

Vd Vf

1/326.6 Product1

Vq

<Stator voltage vd (V)> <Stator voltage vq (V)>

Vstab

<Stator current id (A)>

Ground1

Scope1

<Stator current iq (A)> <Field cur rent ifd (A)>

m 157.08

w

w Vf

A

A

a

A A

B

B

b

B B

C

C

c

Synchronous Machine SI Fundamental_1

C C

Three-Phase Fault

C

B

A

Three-Phase Breaker1

Three-Phase Series RLC Load1

Рис. 5 – Модель синхронного генератора при коротком замыкании на холостом ходу с регулятором возбуждения IEEE- Standard 421.5-1992

Рис. 6 - Результаты моделирования режима 3-х фазного к.з. с регулятором возбуждения IEEE-Standard 421.5-1992 Как видно из приведенных данных, в начальный момент к.з. регулятор возбуждения с постоянного времени Те=0.02 с выходит в режим форсировки с кратностью Кф = 2, ударные значения токов статора и возбуждения соответствуют режиму на х.х.(рис.2), установивши-

174

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

еся значения токов статора и возбуждения соответственно равны Isуст= =8000 А и Ifфорс=8000А. Выводы 1. Результаты исследования показали качественный и количественный характер переходных процессов и могут использоваться при настройке устройств РЗ и микроконтроллеров управления системой SmartGrid.

2. Ударное значение тока 3-х фазного к.з. на выводах генератора составляет: Isуд = 10000 А. Установившееся значение тока 3-х фазного к.з. на выводах генератора составляет: Isуст = 700 А при Ifx.x.=700A; Isуст = 8000 А при форсировке возбуждения Ifфорс.=8000A. 3. Расчетные (аналитические) и модельные (Simulink) значения токов короткого замыкания дают хорошее совпадение, что свидетельствует об адекватности принятой модели Simulink.

Перечень ссылок 1. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. – М.: Энергия, 1970. – 520 с.

2. Правила устройства электроустановок. – 2-е изд., перераб. и доп. – Х.: Форт, 2009. – 693 с.

3. Рожкова Л.Д.Электрооборудование электрических станций и подстанций [учебник для сред. проф. образования] / Л.Д. Рожкова, Л.К. Карнеева, Т.В. Чиркова // М.: Академия, – 2004. – 448 с.; 4. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей: Утв. 25.07.06, №258 / М-во топлива и энергетики Украины. – X.: Издательство «Индустрия», 2007. –288 с.

5. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 288 с.

175

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.313

К ВОПРОСУ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МИКРОГРИД-СИСТЕМ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ И ВОДОРОДНЫМИ ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ С.Н. Ткаченко, А.В. Коваленко, Е.Е. Корытченкова ГОУВПО «Донецкий Национальный Технический Университет» Работа посвящена вопросам устройства, функционирования и математического моделирования режимов работы интеллектуальных микрогрид-систем с возобновляемыми источниками энергии и водородными топливными элементами. Произведён анализ существующих программных продуктов, пригодных для анализа микрогрид, из которого установлено, что наиболее подходящим программным комплексом является MathWorks® MATLABTM. Ключевые слова: интеллектуальная микрогрид-система, возобновляемые источники энергии, водородные топливные элементы, режимы работы, программный комплекс.

The work is devoted to the issues of device construction, operation and mathematical simulation of the operating conditions of intelligent microgrids with renewable energy sources and hydrogen fuel cells. The analysis of existing software products suitable for the analysis of microgrids was making, from which it was finding that the most suitable bundled software is MathWorks® MATLABTM. Keywords: intelligent microgrids, renewable energy sources, hydrogen fuel cells, operating conditions, bundled software. Постановка задачи. На современном этапе развития электроэнергетики в мире наблюдается тенденция внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ). С целью облегчения управления электроэнергетическими системами (ЭЭС) с большой долей ВИЭ разработана концепция интеллектуальной ЭЭС Smart grid с принципами децентрализации, использования виртуальных электростанций и микрогридсистем [1-4]. Вопросам анализа нормальных, анормальных и аварийных режимов микрогрид-систем с ВИЭ посвящены работы [2-6]. Однако в вышеуказанных работах в недостаточной степени рассмотрены системы, использующие водородные топливные элементы (ВТЭ) в качестве накопителей энергии. Поэтому детальный анализ режимов микрогрид-систем с ВИЭ и ВТЭ является актуальной проблемой.

176

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Результаты исследований. В качестве примера рассмотрим в данной работе микрогрид-систему, удалённую на значительное расстояние от мощных узлов генерации ЭЭС. В данную микрогрид входят: фотоэлектрическая станция (ФЭУ), ветровая энергетическая установка (ВЭУ) на базе асинхронного генератора двойного питания (АГДП), группа ВТЭ, система получения водорода (электролизная установка), узел статической нагрузки (освещение, система питания устройств автоматики, релейной защиты и управления), три асинхронных двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором (КЗР). Рабочее напряжение трёхфазного переменного тока на шинах микрогридсистемы – 0,4 кВ. Связь с электроэнергетической системой обеспечивается с помощью силового трансформатора (10/0,4 кВ) и одной воздушной ЛЭП напряжением 10 кВ. Схема главных электрических соединений вышеуказанной микрогрид показана на рисунке 1.

Рис. 1 – Схема главных электрических соединений микрогрид-системы с ВИЭ и ВТЭ

177

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Будем считать, что исследуемая микрогрид-система предназначена для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей технологического цикла первой категории, а именно трёх АД с КЗР (М1, М2 и М3) мощностью 250 кВт и напряжением статора 0,4 кВ и узла статической нагрузки с заданным графиком. В качестве примера подобной микрогрид можно привести стратегически важную насосную станцию (основную или промежуточную) системы водоснабжения, расположенную где-нибудь в горах, степной или пустынной местности, удалённой от мощных узлов генерации электроэнергии. Ключевой особенностью данной микрогрид является использование в качестве системы аккумулирования энергии хранилище водорода и группу ВТЭ типа PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) [1,2,5]. Принципиальная схема работы ВТЭ типа PEMFC показана на рисунке 2. Интеллектуальная система управления или виртуальная станция (ВрЭС) микрогрид-системы настраивается таким образом, что в режимах избытка электроэнергии, производимой ВЭУ и ФЭУ, будет запускаться система производства водорода (СПВ), тем самым пополняя его запасы. В качестве СПВ может быть использована, например, классическая электролизная установка [5].

Рис.2 – Принципиальная схема работы ВТЭ типа PEMFC Как показано в [5], помимо довольно высокой стоимости, как водородного хозяйства, так и самих ВТЭ, повышенных требований к технике безопасности, топливные элементы обладают определёнными достоинствами, такими как, КПД преобразования может достигать

178

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

90%, наличие большого срока службы за счёт применения не расходуемых в процессе химической реакции электродов, высокая экологическая чистота. В настоящее время для проведения математического моделирования с целью анализа переходных и установившихся процессов исследуемой микрогрид можно выделить группу программных продуктов: • DigSILENT® PowerFactoryTM; • ETAPTM производства компании Operation Technology, Inc. / ETAP®; • PSS® SINCAL производства компании Siemens®; • The HOMER Pro® microgrid software производства компании HOMER® Energy LLC; • MathWorks® MATLABTM; Программный комплекс PowerFactoryTM от компании ® DigSILENT представляет собой мощную вычислительную систему для моделирования целого спектра задач электроэнергетики, как например, расчёты токов короткого замыкания, перетоков мощности и др. [6,7]. На рис.3 приведена копия экрана вышеуказанной программы. Начиная с 15-й версии, в PowerFactoryTM появилась возможность моделировать режимы с ВИЭ, в том числе и с ВТЭ. Однако, как показал анализ, PowerFactoryTM содержит упрощенные модели ВЭУ, солнечных панелей и ВТЭ, что при детальном анализе микрогрид будет вносить определённую неточность.

Рис. 3 – Копия экрана пакета DigSILENT® PowerFactoryTM

179

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Аналогичные выводы можно сделать исходя из анализа таких программных комплексов, как ETAPTM производства компании Operation Technology, Inc. / ETAP® [8], PSS® SINCAL производства компании Siemens® [9] и The HOMER Pro® microgrid software производства компании HOMER® Energy LLC [10]. Также следует отметить определённые сложности с настройкой, поиском параметров объектов моделируемой схемы, а также применение графических обозначений элементов схемы, соответствующих зарубежным стандартам. Копии экрана вышеуказанных программ показаны на рисунках 4, 5 и 6 соответственно.

Рис. 4 – Копия экрана программного комплекса ETAPTM производства компании Operation Technology, Inc. / ETAP® Программный комплекс MathWorks® MATLABTM представляет собой мощный инструмент для различных нужд математического моделирования [11]. Благодаря встроенной библиотеке MATLABTM Simulink предоставляется возможность создать качественную детальную математическую модель, отражающую физические процессы во всех элементах схемы, таких как водородные топливные элементы, ветровая энергическая установка, фотоэлектрическая установка, асинхронные двигатели и др. Отдельно следует отметить возможность детального моделирования цифровой системы управления преобразователей частоты и инверторов, что положительно повлияет, в конечном счёте, на точность вычислений.

180

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

На рис.7 приведена копия экрана программного комплекса MathWorks® MATLABTM.

Рис. 5 – Копия экрана программного комплекса PSS® SINCAL производства компании Siemens®

Рис. 7 – Копия экрана программного комплекса PSS® SINCAL

Рис. 6 – Копия экрана программного комплекса The HOMER Pro® microgrid software производства компании HOMER® Energy LLC

181

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 7 – Копия экрана программного комплекса MathWorks® MATLABTM Исходя из проведенного анализа, видно, что более подходящим для детального и точного моделирования режимов работы микрогридсистемы с ВИЭ и ВТЭ является программный комплекс MathWorks® MATLABTM. Выводы 1. Детально рассмотрена структура и особенности интеллектуальной микрогрид-систем с возобновляемыми источниками энергии и водородными топливными элементами.

2. Произведён анализ существующих программных комплексов, позволяющих моделировать режимы работы микрогрид-систем с возобновляемыми источниками энергии и водородными топливными элементами.

3. Установлено, что наиболее подходящим для детального анализа режимов работы микрогрид с возобновляемыми источниками энергии и водородными топливными элементами является программный комплекс MathWorks® MATLABTM.

Перечень ссылок 1. Стычинский З.А. Возобновляемые источники энергии: Теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика / З.А. Стычинский, Н.И. Воропай – Magdeburg: Издательство Магдебургского университета имени Отто-фон-Герике (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg). docupoint GmbH, 2010.– 209 с.

2. Buchholz B.M. Smart Grids – Fundamentals and Technologies in Electricity Networks / Bernd M. Buchholz, Zbigniew Styczynski // Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014. –396 p.

182

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

3. Zhiwen M. Fuel Cell Backup Power System for Grid Service and Micro-Grid in Telecommunication Applications / Zhiwen Ma, Josh Eichman, Jennifer Kurtz // The National Renewable Energy Laboratory (NREL)-2018. – P.1–9.

4. Ткаченко С.Н. Энергосистема будущего. Концепция Smart grid. Специфика реализации на Украине / С.Н. Ткаченко – Журнал «Електротехніка та електроенергетика». – Випуск 1. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2014. – С. 75 – 82.

5. Полякова Т.В. Состояние и перспективы водородной энергетики в России и мире [Аналитическая записка] / Т.В. Полякова – Центр глобальных проблем ИМИ. 2015. – 37 с.; 6. Modeling and Simulation of DIGSILENT-based Micro-grid System / Yang Zhang, Hongli Yun, Qiang Li, Tonghe Liu // TELKOMNIKA Vol. 12, No. 6, June 2014: P.4379 – 4386.

7. Официальный сайт компании DigSILENT® [электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.digsilent.de/en/ (дата обращения: 20.05.2019) 8. Официальный сайт компании Operation Technology, Inc. / ETAP®. [электронный ресурс]. Режим доступа: https://etap.com/solutions/microgrid-management-control (дата обращения: 20.05.2019) 9. Официальный сайт компании Siemens®. Программное обеспечение для расчёта электрических сетей PSS® SINCAL. [электронный ресурс] Режим доступа: https://new.siemens.com/ru/ru.html (дата обращения: 20.05.2019) 10. Официальный сайт компании HOMER® Energy LLC. The HOMER Pro® microgrid software [электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.homerenergy.com/products/pro/index.html (дата обращения: 20.05.2019) 11. Официальный сайт компании MathWorks® [электронный ресурс]. Режим доступа:https://www.mathworks.com (дата обращения: 20.05.2019)

183

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.746.047:658.011.56

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ САМОЗАПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В СВЯЗИ С РЕКОНСТРУКЦИЕЙ ЭНЕРГОБЛОКА ТЭС В.А. Павлюков, А.В. Коваленко, М. А. Тельная ГОУВПО «Донецкий Национальный Технический Университет» Работа посвящена расчету токов КЗ и исследованию режимов самозапуска электродвигателей собственных нужд энергоблока, в связи с разработкой более надежной и экономичной схемы рабочего питания багерной насосной станции второго подъема от системы собственных нужд. Ключевые слова: Компьютерная модель, тепловая электрическая станция, багерная насосная станция, собственные нужды энергоблока, самозапуск электродвигателей.

Annotation. The work is devoted to the short-circuit calculation and self-starting conditions investigation of auxiliaries motors for development reliable and economical scheme of work power supply from auxiliaries system. Ключевые слова: PC model, thermal power plant, ash-pump house, power unit auxiliaries, motor self-starting. Постановка задачи. На одной из тепловых электрических станций (ТЭС) Донбасса предполагается штатная реконструкция одного из энергоблоков. В объем реконструкции входит изменение схемы рабочего питания багерной насосной станции второго подъема (БНС2). В целях экономичной и бесперебойной работы предусматривается перевод ее питания от сетевой подстанции к секциям системы собственных нужд (с.н.) напряжением 6 кВ. Существующие кабельные линии питания БНС2 при строительстве ТЭС были проложены в скальных грунтах и подвергались повышенному износу из-за их нахождения в воде в осенне-зимний период. В данный момент на исследуемом энергоблоке установлен трансформатор собственных нужд (ТСН) мощностью 32 МВ·А. Во время реконструкции энергоблока предполагается замена ТСН на более мощный – 40 МВ·А, что позволит внедрить новую схему питания двух удаленных насосных станций. Подключение к секциям с.н. энергоблоков дополнительной нагрузки должно привести к ухудшению условий самозапуска ответственных механизмов с.н. Для количе-

184

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ственной оценки режимных параметров при самозапуске электродвигателей были выполнены расчеты этих режимов в программном продукте САПР электрической части электростанций и подстанций, разработанном на кафедре «Электрические станции» ДонНТУ. Результаты исследования. Разработана компьютерная модель схемы выдачи мощности и системы с.н. напряжением 6 кВ, состоящая из графического образа электрической схемы (рис. 1), сформированного в графическом редакторе AutoCAD и сохраненного в файле ZuTES.dwg. Исходные данные расположенного на схеме электрического оборудования (генераторов, блочных трансформаторов и трансформаторов с.н. линий электропередач, резервных шин и др.) прикреплены к их графическим блокам в виде атрибутов.

Рис. 1 – Компьютерная схема выдачи мощности электростанции и ее системы собственных нужд Электродвигательное оборудование системы с.н. на схеме не приводится из-за его громоздкости. Информация об агрегатах с.н. (паспортные данные и параметры эквивалентных схем замещения электродвигателей, коэффициенты загрузки агрегатов и др.) перенесено на листы одноименного файла электронной таблицы Exсel [1-2]. В нем для каждой секции с.н., а также секций БНС2 выделены отдельные листы с данными об агрегатах с.н.: станционном обозначении, коэффициенте загрузки и флажке (1 и 0). С помощью последних производится формирование состава работающего на секции оборудования.

185

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

На отдельной странице расположены справочные данные асинхронных электродвигателей. Расчет параметров их эквивалентных схем замещения производился по MathCAD-программе, алгоритм которой основан на методике [3]. Полученные в результате расчета параметры заносятся в соответствующие записи для каждого электродвигателя. Для формирования расчетных схем в компьютерную схему были введены графические блоки выключателей, имеющих отключенное (черный цвет) и включенное (белый цвет) состояния. Пользователь может установить любое положений выключателя с помощью одной из позиций меню. С помощью выключателей на расчетной схеме рисунка 1 сформирована схема питания секций блока №3 от резервного трансформатора. С помощью разработанной компьютерной модели были выполнены расчеты токов КЗ и исследованы режимы пусков и самозапусков электродвигателей с.н. для различных расчетных условий. Максимальная нагрузка одной из секций БНС2 составляет: шесть багерных насосов номинальной мощностью 630 кВт и один насос уплотнения номинальной мощностью 400 кВт, с учетом нормируемого коэффициента, равного 0,8, учитывающего коэффициенты мощности и полезного действия АД, а также их загрузку и одновременность работы, общая нагрузка БН2 составит:

SБН max = (6 ⋅ PБН + PУН ) ⋅ K З = (6 ⋅ 630 + 400) ⋅ 0,8 = 3344 (кВт). Новое рабочее питание предусматривается выполнить по двум кабельным линиям протяженностью 1,8 км пучком из двух параллельно включенных кабелей сечением 150 мм2. Новые кабели предполагается проложить на эстакадах пульпопроводов. На компьютерной схеме рисунка 1 они подключены к с.н. третьего энергоблока. Электрическое оборудование и кабели новой схемы питания багерной насосной станции второго подъема были проверены по условиям их работы при КЗ. Токи симметричных КЗ были рассчитаны с использованием описанной выше компьютерной модели электрической части ТЭС. С ее помощью также были проверены коэффициенты чувствительности старых и вновь устанавливаемых устройств релейной защиты в системе с.н. реконструируемого энергоблока. Режим самозапуска электродвигателей был исследован для трех режимов переключения питания, сформулированных техническим руководством ТЭС. Ниже в качестве примера приведены результаты расчетов по одному из них. При исчезновении напряжения на секции

186

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

собственных нужд 6 кВ производится последующий автоматический перевод ее питания схемой АВР на резервный ТСН со временем 2,5 с. Получены расчетные характеристики изменения частот вращения агрегатов с.н. и изменения напряжений секции с.н. в процессе самозапуска электродвигателей для двух вариантов расчета: без участия багерной насосной станции второго подъема (рис. 2) и с ее участием (рис. 3).

Рис. 2 – Изменение частот вращения АД в процессе их самозапуска без участия БН2

Рис. 3 – Изменение частот вращения АД в процессе их самозапуска с участием БН2

187

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 4 – Изменение напряжений на секции в процессе самозапуска ЭД Самозапуск электродвигателей с участием БНС2 длится на 2 секунды дольше. Это связано с увеличением нагрузки на секцию за счет багерных насосов. Время самозапуска составило ~5,2 с, что меньше допустимого времени для блочных ТЭС, равного 15 с. Также в пределах нормы находятся посадки напряжения секции (рис. 4). Минимально допустимое начальное напряжение на шинах собственных нужд при самозапуске для блочных электростанций не должно быть ниже 0,65 Uном.. Выводы 1. Разработана компьютерная модель электрической части одной из электрических станций Донбасса, позволяющая рассчитывать токи симметричных КЗ в любом узле схемы, а также исследовать режимы пусков и самозапусков электродвигателей секций с.н. при различных расчетных условиях.

2. С использованием разработанной компьютерной модели выполнены расчеты токов КЗ, позволившие выполнить проверку электрооборудования и кабелей реконструируемой схемы питания багерной насосной станции второго подъема.

3. С использованием разработанной компьютерной модели выполнено моделирование режима самозапуска электродвигателей системы с.н. с участием багерной насосной станции второго подъема. Исследование показало незначительное ухудшение условий самозапуска ответственных механизмов с.н. энергоблока в связи с увеличением двигательной нагрузки багерной насосной станции.

4. В результате проведенных расчетов и исследований было получено подтверждение возможности внедрения более надежной и экономичной схемы рабочего питания багерной насосной станции второго подъема от системы с.н. энергоблока.

188

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок 1. Павлюков В.А. Разработка САПР электрической части станций и подстанций для учебного процесса / В.А. Павлюков, С.Н. Ткаченко, А.В. Коваленко // Завалишинские чтения'2018, ГУАП, г. Санкт-Петербург, 2018/4–145-153 с.

2. Павлюков В.А. Учебная САПР электрической части станций и подстанций : учеб. пособие / В. А. Павлюков, С. Н. Ткаченко, А. В. Коваленко. – Харьков : ФЛП Панов А. Н., 2016. – 124 с.

3. Павлюков, В.А. Совершенствование методов идентификации параметров эквивалентных схем замещения глубокопазных асинхронных двигателей / В. А. Павлюков, С. Н. Ткаченко. – Электричество, 2018. – №10. – С.54-60.

4. Официальный сайт «CAD Electric Education» [электронный ресурс]. – Режим доступа: https://es-cad.ru/CAD-Electric-Education/ (дата обращения 22.04.2019).

189

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.771

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ РАСКАТА ПО ПАРАМЕТРАМ РАБОТЫ ГЛАВНОГО ПРИВОДА А.В. Светличный, Р.С. Левченко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Рассмотрена возможность контроля длины раската в заготовочных прокатных станах по параметрам работы главного привода. На конкретном примере подтверждена возможность определения длины раската с погрешностью не более 5%. Ключевые слова: прокатный стан, длина раската, контроль, главный привод, энкодер, точность The possibility of controlling the length of roll in billet rolling mills by the parameters of the main drive is considered. On a concrete example, the possibility of determining the length of a roll with an error of no more than 5% was confirmed.

Keywords: rolling mill, rolling length, control, main drive, encoder, accuracy Современные системы управления прокатными станами обеспечивают контроль технологических кинематических и энергосиловых параметров процесса [1]. Для получения информации о таких технологических параметрах, как геометрические размеры, температура и усилие прокатки в линии стана устанавливаются специальные датчики – фотоголовки, пирометры и месдозы. В то же время с целью уменьшения их количества, некоторые показатели можно получить по информации от датчиков, используемых в системе управления главным электроприводом прокатной клети. На большинстве прокатных станов в настоящее время в качестве датчиков скорости электропривода вместо тахогенераторов используются фотоимпульсные датчики (энкодеры). На базе их выходного сигнала можно обеспечить контроль такого технологического параметра прокатки как длина металла. Для этого также необходим датчик наличия металла в валках, в качестве которого в простейшем случае при однозонном регулировании скорости могут быть использованы датчик тока и компаратор. Функциональная схема такой измерительной системы представлена на рисунке 1. При использовании безредукторного индивидуального главного электропривода валков прокатной клети угловые скорости валка, дви-

190

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

гателя и вала энкодера равны, как показано на рисунке. При наличии редуктора или шестеренной клети необходимо учитывать коэффициент передачи между скоростями валка и энкодера. Установленный на неприводном торце вала двигателя энкодер формирует на своем выходе сигнал, частота f которого равна f = ω * Z,

где Z – количество импульсов за оборот вала энкодера; ω – угловая скорость вала электродвигателя, рад/с. Наибольшее распространение получили энкодеры с Z от 1000 до 2000 импульсов на оборот [2]. Скорости вращения электродвигателей прокатных станов находяться в диапазоне от 100 об/мин для обжимных и непрерывно –заготовочных до 1000 об/мин для мелкосортных и проволочных. Длина прокатываемого металла меняется от 1020 метров на обжимных станах до 200 метров на мелкосортных. Поскольку сортовые и проволочные станы оснащаются специальными измерительными средствами для раскроя прокатаного металла на мерные длины, то рассматриваемый способ в наибольшей мере подходит для обжимных и непрерывно-заготовочных станов. Рассмотрим вариант реализации измерительной системы на обжимном стане, с диаметром прокатного валка 1 метр и максимальной скоростью вращения 90 об/мин. Для определения расходного коэффициента необходимо знать длину раската после последнего прохода до обрезки заднего и переднего концов. В последнем проходе привод работает как правило на максимальной скорости, а длина раската изменяется от 10 до 20 метров в зависимости от массы слитка и сечения заготовки. Принимая длину выходного раската L на уровне 15м, находим угол поворота валка при прокатке L 2 * L 2 *15 = = = 30 рад .

R D 1 Количество импульсов датчика за время прокатки составит ϕ=

N=

ϕ 30 *Z = *1500 = 7161 ед .

2*π 2 * 3.14

Разрешающая способность метода составит δL =

L *1000 15 *1000 = = 2.095 ≈ 2,1 мм/ед .

N 7161

191

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 1 – Функциональная схема системы измерения длины раската

192

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Применение датчика с большим количеством импульсов на оборот, позволит повысить разрешающую способность. Например, при использовании датчика с Z=3000 разрешающая способность составит 1 мм/ед. В этом случае для накопления данных понадобится счетчик с большим количеством разрядов. В таблице 1 представлено требуемое количество разрядов счетчика при изменении Z от 1000 до 3000 для рассматриваемого случая. Таблица 1 – Параметры измерительной системы Z энкодера, ед/об Nмакс Nсч, разрядов δL , мм/ед

1000

1500

2000

2500

3000

4774 9 3,14

7161 13 2,1

9548 14 1,57

11935 14 1,26

14322 14 1,05

Следует отметить, что представленные значения разрешающей способности метода не характеризуют непосредственно его точность, так как основная погрешность вносится по каналу управления ключом, за счет косвенного способа определения наличия металла в валках по току электродвигателя. В процессе захвата металла валками и заполнения очага деформации, ток двигателя возрастает по сложной зависимости, определяемой как механическими процессами деформации металла так и электрическими, зависящими от электромеханической и электромагнитной постоянных времени привода. Оценим влияние механических процессов на точность измерения. Длина дуги очага деформации lд зависит от диаметра прокатного валка и абсолютного обжатия в проходе ∆H. lд = D *

∆H .

2

При обжатии металла на уровне 100 мм, длина дуги очага деформации составит lд = D *

∆H 0.1 = 1 = 0.223 м .

2 2

При заполнении очага деформации угол поворота валка составит LД

2 * LД

2 * 0,223 = 0,446 рад .

R D 1 Количество импульсов датчика за время заполнения очага деформации составит: ϕД =

=

=

193

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

NД =

ϕД 2*π

*Z =

0,446 *1500 = 107 ед .

2 * 3.14

Время заполнения очага деформации при захвате металла на половине от максимальной скорости составит tд =

ϕД ω

=

ϕ Д * 60 2 * π * (n/2)

=

0.446 * 60 = 0.095 ≈ 0.1 c .

2 * 3.14 * (90 / 2)

При разрешающей способности метода 2,1 мм/ед в случае установки датчика с Z=1500 ед/об, максимальная динамическая погрешность в процессе захвата может достигнуть ∆ З = N д * δ L = 107 * 2.1 = 224.7 мм . При длине раската в последнем проходе L=15 м, относительная погрешность равна ∆ 0.225 ∆ % = З *100 = *100 = 1.5% .

L 15 Следует отметить, что применение датчика с большим количеством импульсов на оборот не позволит снизить полученное значение динамической погрешности, так как несмотря на увеличение разрешающей способности, одновременное пропорциональное увеличение количества импульсов на длине дуги деформации приведет к тому же результату. На величину динамической погрешности влияют геометрические размеры прокатного валка и величина абсолютного обжатия. Например, для непрерывно-заготовочного стана с диаметром валка 0,53 м при обжатии 40 мм, величина абсолютной динамической погрешности составит 103 мм. Полученные результаты свидетельствуют о том, что метод контроля длины прокатанного металла по параметрам работы главного электропривода может быть использован на обжимных и непрерывнозаготовочных станах.

Перечень ссылок 1. Восканьянц А.А. Автоматизированное управление процесами прокатки: Учеб. пособие/ А.А. Восканьянц: Московский гос. Техн.. ун-т им. Н.Э.Баумана – М.: МТГУ им. Н.Э. Баумана. 2010-85 с.

2. Выбор разрешения энкодера. Электронный ресурс http://www.rakurs.com/upload/iblock/f75/encoders_instruction.

194

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62-83 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С КОСВЕНЫМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ СКОРОСТИ Д.М. Тищенко, П.И. Розкаряка ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» В работе рассмотрены простые способы косвенного вычисления скорости электропривода с помощью наблюдателя состояния на базе измеренных электрических сигналов. Наблюдатель состояния с пропорционально-интегральной структурой корректирующего звена показал наилучшие результаты. Такой наблюдатель можно рекомендовать для организации обратной связи по скорости в системах косвенного регулирования. Ключевые слова: электропривод, наблюдатель состояния, измерение скорости, косвенная система регулирования This paper considers simple indirect electric drive velocity estimation techniques using state observers based on measured signals. A state observer with PI correction element has shown the best performance. Such observer can be recommended to implement velocity feedback in indirect control systems. В работе рассмотрены простые способы косвенного вычисления скорости электропривода с помощью наблюдателя состояния на базе измеренных электрических сигналов. Наблюдатель состояния с пропорционально-интегральной структурой корректирующего звена показал наилучшие результаты. Такой наблюдатель можно рекомендовать для организации обратной связи по скорости в системах косвенного регулирования.

Keywords: electric drive, state observer, velocity measurement, indirect control system. На сегоднешний день минимизация количества датчиков, измеряющих механические координаты, таких как момент, скорость, положение, является одним из доступных способов снижения стоимости системы электропривода. Развитие микропроцессорной техники, ее удешевление, повышение скорости обработки сигналов позволяет обеспечить функционирование бездатчиковых структур систем управления электроприводом без существенного снижения качественных характеристик, а замыкание обратных связей осуществлять по вычисленным координатам. Причем эти вычисления

195

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

основываются на использовании легко измеряемых электрических сигналах: токах и напряжениях. Для реализации бездатчиковых систем используют, так называемые, наблюдатели состояния [1]. Целью данной работы является синтез бездатчиковой системы управления скоростью электропривода с различными структурами наблюдателя скорости и сравнительный анализ результатов, полученных как с помощью математического моделирования, так и на экспериментальном стенде. Рассмотрим типовые структуры наблюдателей состояния (НС), идентифицирующих скорость вращения электродвигателя постоянного тока назависимого возбуждения. В [2] представлены структуры таких наблюдателей с тремя разными типами корректирующего звена: релейным регулятором (рис. 1), пропорциональным (рис. 2) и пропорционально-интегральным (рис. 3) регулятором. Во всех трех структурах входом наблюдателя является напряжение двигателя, а сравнение осуществляется по току якоря. На рис. 1-3 используются следующие обозначения: РЭ – релейный элемент с конечным коэффициентом усиления, ЯЗ – якорное звено, Iя – измеренный ток якоря, Iˆя – вычисленный наблюдателем ток якоря, Uя – напряжение якоря, ê , ω̂ – наблюдаемые ЭДС и скорость двигателя соотвественно.

Рис. 1 – Релейный наблюдатель скорости двигателя По известному [2] математическому описанию двухконтурной системы подчиненного регулирования скорости электропривода была составлена структурная схема в пакете MatLab и промоделированы перечисленные выше структуры наблюдателя состояния, восстанавливающие скорость двигателя.

196

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 2 – Пропорциональный наблюдатель скорости двигателя

Рис. 3 – Пропорциональный интегральный наблюдатель скорости двигателя На рис. 4 представлены результаты моделирования – графики переходных процессов разгона двигателя до установившейся скорости и наброс нагрузки (сигналы задания на скорость, скорость двигателя, ток и три скорости, идентифицированные с помощью НС). Все сигналы представлены в относительных единицах, приведенных к долям номинала. Как видно, самым точным и быстородействующим оказался ПИНС. Присутстсвует небольшая ошибка в динамических режимах, в статике ошибки нет. П-НС имеет вполне ожидаемую статическую ошибку из-за отсутствия интегральной составляющей. Релейный НС имеет самые худшие показатели. Колебания скорости, вместе с большой инерционостью, не позволяют использовать его в системе

197

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

подчиненого регулирования без снижения быстродействия системы. Хотя погрешности П-НС и ПИ-НС небольшие, целесообразно использовать ПИ-НС, поскольку он демонстрирует наибольшую точность и быстродействие.

Рис. 4 – Результаты моделирования системы подчиненного регулирования скорости с НС скорости Для подтверждения результатов математического моделирования были проведены исследования на экспериментальном стенде. В состав стенда входят (см. рис. 5): два жестко соединенных двигателя постоянного тока независимого возбуждения (М1 и М2), питаемые от реверсивных тиристорных преобразователей (ТП1 и ТП2), датчики тока якорных цепей на эффекте Холла, инкрементный датчик скорости, масштабирующие усилители, аппаратные фильтры и система управления, базирующаяся на отладочной плате STM32F4Discovery. Один двигатель выполняет роль исследуемой машины, второй – нагрузочной. Модуль UART осуществляет двухстороннюю связь между ПК и микроконтроллером. Программная часть реализована с помощью пакета Matlab и дополнительной библиотеки Waijung [3] по технологии быстрого прототипирования. Такой подход позволяет осуществлять реализацию структурной схемы системы управления электроприводом в блоках Simulink с автоматической генерацией кода под микроконтроллер STM32F4. Общая структура реализованной системы управления электроприводом, подготовленная для генерации исполняемого кода, представлена на рис. 6.

198

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Усилитель Uз

ТП1

RCфильтр Iя ДТ1 STM32F4 USB UART

ИД

1

М1 Делител n ь

OB

ДС

=220 В

НД OB М2

ПК

RCфильтр Iя ДТ2 УсилительUз

2

=220 В

ТП2

Рис. 5 – Структурная схема экспериментального стенда Применение модуля UART позволяет легко осциллографировать сигналы, используемые внутри системы управления. Для корректного сравнительного анализа скоростей, идентифицированных с помощью наблюдателей состояния, также осуществляется непосредственное измерение скорости электропривода с помощью инкрементного датчика скорости [4]. Графики переходных процессов, полученных на экспериментальной установке, представлены на рис. 7. На графиках показан процесс разгона двигателя и участок работы на установившейся скорости. Для всех сигналов применена цифровая фильтрация апериодическим фильтром первого порядка с постоянной времени 10мс. Полученные результаты подтверждают выводы, представленные при анализе результатов моделирования. Выводы Наилучшие показатели качества вычисления скорости обеспечивает НС с ПИ-структурой корректирующего звена. Такую структуру можно использовать для организации обратной связи по вычисленной скорости в системах косвенного регулирования.

199

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рис. 6 – Структурная схема системы управления экспериментального стенда

Рис. 7 – Графики переходных процессов, полученных на экспериментальном стенде Перечень ссылок 1. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: “Машиностроение”, 1976, 184 с.

2. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2015. – 373. с.

3. Waijung Blockset [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://waijung.aimagin.com 4. О.В. Бузулёв, А.С. Болотов, П.И. Розкаряка. Анализ влияния периода дискретности системы управления на точность измерения скорости инкрементальным энкодером // IV Международная научно-практическая конференция Инновационные перспективы Донбасса, ДонНТУ, 22-25 мая, 2018 г.

200