Инновационные перспективы Донбасса. Том 2, 2020 г. by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

VIМЕЖДУНАРОДНЫЙНАУЧНЫЙФОРУМ ДОНЕЦКОЙНАРОДНОЙРЕСПУБЛИКИ

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

ИнновационныеперспективыДонбасса

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

Научнот ехническиеаспектыразвития авт отранспортног окомплекса

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

Информатика, управляющиесист емы, мат ематическое икомпьют ерноемоделирование

Международнаянаучнот ехническаяконференция

Авт оматизацият ехнолог ических объект овипроцессов. Поискмолодых

Международнаянаучнот ехническаяконференция

Мет аллург ияXXIст олетияг лазамимолодых

Том 2.Перспект ивы развит ияэлект рот ехнических, элект ромеханическихиэнерг осберег ающихсист ем

ББК 65.30 УДК 330.341 (477.61/62)

И 66

Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 26-28 мая 2020 г. – Донецк: ДонНТУ, 2020. Т. 2: 2. Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. – 2020. – 233 с.

Представлены материалы 6-й Международной научно-практической конференции “Инновационные перспективы Донбасса”, состоявшейся 26-28 мая 2020 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 М.Н. Кушаков, 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, канд. техн. наук А.Н. Корчевский, д-р техн. наук Э. Г. Куренный, д-р техн. наук С. П. Еронько, канд. техн. наук С.В. Горбатко, канд. экон. наук А.В. Мешков, канд. техн. 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

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ОГЛАВЛЕНИЕ О.В. Вапирова Воспроизведение поля скоростей вдоль контура конвейерной ленты при моделировании динамических режимов работы конвейера ....................... 6 И.А. Бершадский, А.В. Згарбул, Е.Я. Наглюк Исследование характера влияния несинусоидальности и несимметрии на эксплуатационные характеристики четырехпроводной электрической сети непромышленных потребителей ......................................................... 13 И.Р. Нестеренко, И.А. Бершадский Проектирование электротехнических систем в пакете прикладных программ компании CSOFT ......................................................................... 19 А.А. Булгаков, В.А. Коваленко, Л.А. Колесников Имитация случайной электрической нагрузки в системах электроснабжения.......................................................................................... 24 А.Н. Минтус, К.К. Андрющенко Способ повышения качества осцилляции электромеханического механизма качания кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок ......................................................................................................... 36 А.А. Булгаков, М.Р. Нейзман, Н.А. Майборода Эллипс равной вероятности для оценки электропотребления при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи...................................... 43 Е.В. Иванников, Д.В. Полковниченко Разработка автоматизированной системы контроля режимов работы силовых трансформаторов ............................................................................ 48 В.А. Павлюков, С.А. Грунь Сравнение методик расчета токов КЗ в электроустановках переменного тока ........................................................................................... 53 С.И. Сироноженко, П.И. Розкаряка, Д.Н. Мирошник Моделирование и сенсорная идентификация положения кисти руки в пространстве .................................................................................................. 60 А.А. Булгаков, А.С. Борисов Автоматизация систематического механического расчета провода воздушной линии электропередачи ............................................................. 73 В.Я. Горин, Е.В. Куть, М.А. Минаев Расширение функциональной области программного обеспечения в линейной подсистеме учебно-исследовательской САПР современных кабельных линий напряжением 35-330 кВ ................................................. 79

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

С.А. Гришанов, А.Г. Латашенко Оценка платы за перетоки реактивной мощности в электрической сети с использованием суточных графиков нагрузки. .......................................... 83 И.В. Сельская, В.П. Сельский Компетентностный подход как модернизация обучения курса электробезопасность. .................................................................................... 91 Б.А. Костырко, Д.Н. Мирошник Планирование траектории движения мобильного робота с дифференциальным приводом в Matlab ...................................................... 95 А.М. Ларин, Я.А. Авраменко Моделирование переходных процессов в электрических системах с использованием обобщенных электромагнитных параметров турбогенераторов ......................................................................................... 102 А.М. Ларин, Д.О. Шамрин Исследование электромагнитных переходных процессов при коротких замыканиях в дальних электропередачах ................................................. 109 А.М. Ларин, А.И. Пащенкова Определение области статической устойчивости нерегулируемых электрических систем методом малых отклонений ........................................ 116 Ю.Д.Романенко, Д.Н.Мирошник Разработка двухканального реверсивного преобразователя постоянного напряжения для инвалидной коляски Invacare Storm XS ........................ 122 Б.С. Белых, С.В Ковальская Анализ эксплуатационной надежности маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателей напряжением 6-10 кВ .................................... 128 С.В. Колесов, Д.С. Щёголев, Д.В. Полковниченко Анализ методов оплаты за потребление и генерацию реактивной мощности ...................................................................................................... 132 В.А. Смоленский, П.И. Розкаряка Моделирование перемещений антропоморфного робота в среде Matlab ............................................................................................................ 139 А.М. Ларин, И.И. Ларина, А.Е. Грицаенко Исследование статической устойчивости регулируемых электрических систем с АРВ пропорционального типа. ......................... 150 С.А. Гришанов, Э.В. Клемешов Разработка программного обеспечения для оптимизации перетоков мощности в распределительных сетях ...................................................... 156

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

АЛ. Серов, А.В. Светличный Анализ влияния схем электропитания на энергетические показатели электропривода насосной установки ......................................................... 160 С.Н. Ткаченко, В.В. Иванов Совершенствование цифровой системы защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором системы собственных нужд электростанций. ........................................................................................... 170 С.А. Гришанов, В.М. Петрийчук, Л.В. Нешпоренко Влияние параметров схемы замещения элементов электрической сети на характер переходного процесса при коротком замыкании ..................... 178 Д.Н.Мирошник, А.С. Осадчий Система регулирования по оценке тока якоря в электроприводе постоянного тока с понижающим преобразователем постоянного напряжения............................................................................................................. 184 В.И. Сорокин, Д.В. Полковниченко Исследование возможностей повышения эффективности работы электрических сетей за счет применения устройств компенсации реактивной мощности. ................................................................................ 188 В.Ю. Карпенко, П.И. Розкаряка Математическая модель системы управления кабельного робота как объекта с параллельной кинематикой. ...................................................... 193 И.Б. Гуляева, С.А. Григорьев, Ю.Н. Кивгила Оценка эффективности регионального энергоснабжения (ДНР) с использованием солнечной энергии. ......................................................... 201 В.С. Ожегов, И.И. Ларина Анализ применения статических критериев оценки экономической эффективности при реконструкции энергообъектов. .............................. 206 А.С. Дзябенко, Д.Н. Мирошник Разработка системы двух уровневого управления электроприводами прототипа мобильного сервисного робота. .............................................. 210 А.А. Еременко, В.Ф. Раков, Н.А. Спиридонов Разработка системы регистрации результатов измерений свойств фотокаталитических материалов. .............................................................. 217 Ю.Д.Романенко, А.В.Захаров, Д.О.Петренко, Д.Н.Мирошник Разработка системы управления электроприводом инвалидной коляски Invacare Storm XS на базе STM32F401CC .................................. 222 А.С. Осадчий, Д.Н. Мирошник, А.В. Захаров Разработка электропривода для велосипеда на базе Arduino ................. 229

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 622.271

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ ВДОЛЬ КОНТУРА КОНВЕЙЕРНОЙ ЛЕНТЫ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОНВЕЙЕРА О.В. Вапирова ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

Предложена методика расчета динамических режимов работы протяженных ленточных конвейеров. Методика учитывает непостоянство значений скорости ленты конвейера вдоль её контура. Приведена полная система уравнений движения исследуемого объекта в матричной форме. Ключевые слова: ленточный конвейер, скорость, динамический режим A method for calculating the dynamic modes of operation of extended belt conveyors is proposed. The technique takes into account the inconsistency of the conveyor belt speed values along its contour. A complete system of equations of motion of the investigated object in matrix form is given. Keywords: belt сonveyor, speed, dynamic mode Протяжённые ленточные конвейеры представляют собой сложную механическую систему с распределёнными параметрами. Описание такой системы связано с применением нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, точное аналитическое решение которых во многих случаях практически недостижимо. Тем не менее, динамические режимы, возникающие в процессе работы конвейеров, представляют большой практический интерес, поэтому ряд исследователей уделяют этому вопросу достаточно много внимания. При исследовании динамических режимов работы ленточных конвейеров в большинстве случаев используются математические модели, которые в установившемся режиме дают равномерное поле скоростей вдоль всего контура ленты [1, 2]. Это не вполне достоверно соответствует реальным физическим процессам и обусловлено тем, что при достаточно жёстких конвейерных лентах неравномерность поля скоростей составляет около одного процента [3]. Однако фактически имеющееся отличие в скорости движения отдельных точек вдоль контура ленты может существенно сказываться на режимах работы элек-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

тропривода многобарабанных конвейеров, особенно снабженных электроприводами с замкнутыми системами регулирования. [3] Предлагаемая динамическая модель конвейера построена на основе расчетной схемы, приведенной на рис.1. В соответствии с этой схемой контур ленты разбит на n интервалов. Движущиеся массы ленты, груза и роликов, находящиеся на каждом интервале, заменены эквивалентными фиктивными маховиками mi с неподвижными центрами вращения, связанными между собой упругими и демпфирующими элементами. Силы, действующие на ленту в рабочих режимах на каждом интервале, считаются приложенными к маховикам, и все параметры объекта приведены к поступательному движению ленты. ml l mi-1 i-1

mi+1

Рисунок 1 – Расчётная схема конвейера Поскольку принятая расчётная схема состоит из однотипных звеньев, достаточно рассмотреть формирование уравнений, описывающие динамические режимы одного из них, например i-го. Расчетное звено представляет собой фиктивный маховик с массой mi , связанный с двумя отрезками упруго-вязкой невесомой нити, находящейся как перед маховиком на участке i-1, так и после него на i-м участке (лента рассматривается в данном случае как упруго-вязкое тело [1]. Каждый отрезок в момент времени t0 характеризуется следующими параметрами: l0i – фактическая длина, соответствующая расстоянию li = E ⋅ S + Fi между неподвижными центрами фиктивных маховиков; l0i – длина i-го отрезка упруго-вязкой нити, приведенная к недеформированному состоянию; Е – модуль упругости материала конвейерной ленты; S – площадь поперечного сечения конвейерной ленты;

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

vi – скорость конца i-го отрезка движущегося без скольжения по поверхности соответствующего i-го маховика; Fi – составляющая силы, обусловленная упругой деформацией. Сила воздействия ленты на маховик со стороны i-го упруговязкого элемента определяется выражением:

Ti = Fi + η i

dFi , dt

где ηi – коэффициент вязкости материала ленты, учитывающий внутреннее трение; Учитывая, что i-й элемент представляет собой твердое тело жестко связанное с упругими элементами, для описания его движения необходимо и достаточно записать два уравнения, одно из которых отражает динамику изменения силы упругой деформации i-го отрезка упруго-вязкой нити, а второе является уравнением механического равновесия i-го маховика. Чтобы определить закономерности изменения в динамических режимах силы, связанной с упругой деформацией ленты, рассмотрим детально состояние i-го упругого элемента для двух моментов времени t0 и t0+Δt, где Δt – малое приращение времени. При этом считаем, что на i-м участке длиною li упругая нить подчиняется закону Гука. При движении упругой нити на i-м участке за время Δt приращение величины силы упругой деформации составит: ∆Fi = E ⋅ S ⋅

∆l0i , l0i

(1)

где Δl0i – приращение длины упругой нити на i-м участке за время Δt, приведенное к недеформированному состоянию. Приращение длины отрезка упругого элемента на рассматриваемом участке за время Δt, приведенное к недеформированному состоянию, определяется выражением: ∆l0i =

vi +1 ⋅ ∆t v ⋅ ∆t , − i Fi Fi −1 1+ 1+ E⋅S E⋅S

(2)

где vi и vi+1 – скорости поступления и выхода упругой нити на i-м и (i+1)-м интервале соответственно; Fi-1 – усилие упругой деформации на (i-1)-м интервале.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Устремив приращение времени Δt к нулю и переходя к пределу из выражений (1) и (2), пренебрегая величинами второго порядка малости, можно получить дифференциальное уравнение: dFi E ⋅ S = dt li

 E ⋅ S + Fi   , ⋅  vi +1 − vi + ⋅ F S E i −1  

(3)

отражающее связь между скоростью изменения упругой деформации материала на i-м участке, скоростями его поступления и выборки с этого участка, а также силами упругой деформации на рассматриваемом и предыдущем участках. Это выражение отличается от традиционно применяемых при исследовании динамики конвейера наличием дополнительного сомножителя при vi . Являясь функцией от деформации ленты на участках до и после i-го маховика, этот коэффициент показывает, что в установившемся режиме (когда dFi / dt = 0 ) скорости vi и vi +1 будут одинаковыми только в том случае, если Fi −1 = Fi . Иными словами, если конвейерная лента при своем движении не испытывает никакого сопротивления. И наоборот, чтобы иметь возможность преодолевать силы сопротивления движению ленты, поле скоростей вдоль её контура не должно быть постоянным. При этом градиент этого поля зависит от распределения сил, действующих на ленту, вдоль всей траектории ее движения. Составляя уравнение механического равновесия для i-го маховика необходимо учесть все действующие на него силы. При этом среди них необходимо выделить суммарные реактивную Qi и активную Rai силы. Реактивная сила обычно обусловлена силами типа сухое трение или неупругой деформацией. Она всегда препятствует движению и неспособна самостоятельно вывести систему из состояния покоя. Активные силы могут быть как тормозными, так и движущими. Это силы, возникающие в результате упругой деформации ленты либо обусловленные гравитационной составляющей для наклонных конвейеров Wi и силы воздействия на ленту со стороны привода M i . Равнодействующая активных сил, приложенная к i-ому маховику определяется выражением: Rai = Ti − Ti −1 + Wi + M i .

(4)

При этом гравитационная составляющая зависит от угла наклона конвейера α и определяется в соответствии с выражением:

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

(q + ql )g ⋅ li sin α − для грузовой ветви; Wi =  ql ⋅ g ⋅ li sin (α + π ) − для холостой ветви;

(5)

где q,ql – погонная масс груза и ленты; g – ускорение свободного падения. Величина силы Mi, действующей на ленту со стороны привода определяется его свойствами и в данной статье не рассматривается. Значения реактивных сил Qi , препятствующих движению ленты на каждом расчетном интервале, находятся по данным статического расчета конвейера. Однако при исследовании динамических режимов необходимо учитывать их существенно нелинейный характер. Поэтому, при вычислении результирующей силы, приложенной к элементу mi , используется не сама величина Qi , а вспомогательная сила Qri , определяемая из следующих условий: при vi = 0, Rai ≤ 0;  Rai ,  Qri = Qi signRai , при vi = 0, Rai > 0;  Qi signvi , при vi ≠ 0.

(6)

Такой способ формирования Qri приводит к тому, что результирующая сила Ri = Rai − Qri ,

(7)

действующая на i-й маховик будет равна нулю, если он неподвижен и модуль активной силы Rai не превышает уровень реактивной силы Qri [4]. Это соответствует жесткому зацеплению i-го конца ленты. Движение маховика в этом случае не начнется, что следует из уравнения механического равновесия dvi mi = Ri . dt

(8)

В момент трогания, когда vi = 0 , но результирующая активных сил Rai превысила по модулю реактивную силу Qri , направление начала движения будет выбрано по вектору равнодействующей активных сил, за счет того, что результирующая сила Ri сформируется как разность модулей Rai и Qri , но со знаком, соответствующим знаку активных сил.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Во время движения, когда vi ≠ 0 , результирующая сила формируется как сумма активной силы со своим знаком и реактивной со знаком противоположным знаку вектора скорости. Таким образом, уравнение механического равновесия, с учетом выражения результирующей силы Ri , действующей на i-й маховик, для всех возможных ситуаций имеет вид: при vi = 0, Rai ≤ Qri ; 0,  dvi  = (Rai − Qi signRai ) / mi , при vi = 0, Rai > Qri ; dt  (Rai − Qi signvi ) / mi , при vi ≠ 0.

(9)

Полученные уравнения (3), (7), (9), объединённые в систему позволяют полностью описать динамику i-го элемента модели конвейера, соответствующего принятой расчётной схеме (рис.1). Для полного описания требуется n систем уравнений (по количеству интервалов разбиения конвейерной ленты). Эту систему удобно записать в матричном виде: dF = A * V,   dv = B * R ,

(10)

где: F = [F1 F2 ... Fn ]' – вектор сил упругой деформации; v = [v1 v2 ... vn ]' – вектор скоростей расчетных сечений конвейерной ленты; R = [R1 R2 ... Rn ]' – вектор результирующих сил, приложенных к фиктивным маховикам расчетной схемы, элементы которого определяются в соответствии с уравнением (7); А и В – квадратные матрицы коэффициентов. Матрица коэффициентов В является диагональной с постоянными значениями: 1 m  1 0 B=  ...  0 

0 1 m2 ... 0

 0   ... 0   ... ...  1  ...  mn  ...

Элементы, образующие матрицу А зависят как от параметров модели, так и от состояния последней, и имеют вид:

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

 ES − l  1   A=     

ES + F1 ES + Fn ...

ES l1 ES ES + F2 − l2 ES + F1 ...

ES l2 ...

... ES ES + Fn −1 ... − ln −1 ES + Fn − 2

...

    0   ...  ES  l n −1  ES ES + Fn  − ln ES + Fn −1  0

На основе приведенного математического описания динамических режимов работы конвейера при условии добавления к ним уравнений динамики приводных барабанов и электродвигателей, достаточно просто строится цифровая модель, которая представляет собой хорошо изученную двухмассовую систему электропривода с упругой связью Выводы

В данной работе получена расчётная схема и разработано математическое описание динамической модели конвейерной ленты. Результаты работы получены в виде системы уравнений в матричной форме. Данные уравнения позволяют в полной мере оценить динамику модели ленточного конвейера, но без учёта возможности исследования режима буксования. Дальнейшие исследования могут быть направлены на исследование динамических режимов протяжённых ленточных конвейеров с помощью построенной структурной схемы и с учётом режима буксования.

ЛИТЕРАТУРА 1. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Теория ленточных конвейеров. – М.: Машиностроение, 1982. – 182 с. 2. Ленточные конвейеры в горной промышленности. В.А. Дьяков, Л.Г. Шахмейстер, В.Г. Дмитриев и др. Под ред. чл.-кор. АН СССР А.О. Спиваковского. – М.: Недра, 1982. – 329 с. 3. Моделирование многобарабанного электропривода ленточных конвейеров / Н.В. Печенин, В.М. Мамалыга / Вестник КПИ. Электроэнергетика, 1988, Вып.25. 4. Методика расчета допустимого превышения ускорения из условия обеспечения запуска конвейера / О.В. Вапирова. – Материалы 1-й международной научно-практической конференции. Инновационные перспективы Донбасса. Т. 2: Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. – Донецк: ДонНТУ. – 2015. – С. 44-50.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ВЛИЯНИЯ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ И НЕСИММЕТРИИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НЕПРОМЫШЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

И.А. Бершадский, А.В. Згарбул, Е.Я. Наглюк ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Приведены результаты расчетов длительно допустимого тока четырехжильного кабеля на основной частоте с учетом токов высших гармоник и расчет величины тока в нулевой жиле при несимметрии нагрузки. Даны рекомендации по корректировке пропускной способности этих кабелей на основании их теплового состояния. Ключевые слова: несинусоидальность, несимметрия, нагрузка, электроприемники, спектр гармоник The results of calculations of the long-term allowable current of a fourcore cable at the main frequency are given taking into account the higher harmonics currents and the calculation of the current value in the zero core with load asymmetry. Recommendations are given on adjusting the throughput of these cables based on their thermal condition. Keywords: nonsinusoidality, asymmetry, load, power consumers, harmonic spectrum По нулевой жиле силового кабеля протекают токи, обусловленные отсутствием фазового сдвига у высших гармоник кратных трем и основной частоты, а также за счет несимметричной загрузки фаз. В отдельных случаях действующее значение тока в нулевом проводнике может превышать фазный в 1,5-2 раза [1, 2]. Как правило, симметричный режим работы электроприемников возможен только при одинаковой нагрузке во всех трех фазах, что, зачастую, в современных условиях фактически невозможно выполнить [3]. Поэтому следует учитывать величину тока в нулевом проводе при неравномерной нагрузке в трехфазной сети [4]. С увеличением электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой, возрастает количество источников высших гармоник тока. Поэтому, необходимо внедрять при проектировании и эксплуатации электрических сетей методы и способы оценки влияния высших

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

гармоник тока на оборудование распределительной сети, чтобы избежать проблем в системах электроснабжения в будущем [5]. Такие меры стоит предпринимать для реальных, а не табличных эксплуатационных показателей длительно допустимого тока проводников. Одним из вариантов учета на этапе проектирования и эксплуатации высших гармоник тока, генерируемых нелинейными электроприемниками, является введение поправочного коэффициента для допустимых длительных токов, который учитывал бы дополнительные потери активной мощности от их воздействия. Рассмотрен наиболее простой метод расчета – аналитический, а также проводится проверка допустимой температуры нагрева жилы кабеля с использованием моделирования картины теплового поля в программной среде Comsol Multiphysics. Задача решается на примере кабелей АВВГ-п 4х2,5 мм2 и АВВГ-п 3х4+1х2,5 мм2 с различными сечениями фазной и нулевой жил. Этот же подход может применяться к расчету подобных объектов. Спектр высших гармоник в долях основной частоты принимаем как осредненные по фазам получасовые значения в режиме максимума нагрузки, так как недельный график мощности характеризуется периодичностью с началом и окончанием рабочего дня. Рассматриваются три фидера распределительных щитков административного здания, в которых установлены источники несинусоидальности – компьютеры, люминесцентные лампы, оргтехника. Под влиянием высших гармоник тока, значение длительно допутаб стимого тока I дл.доп уменьшается на ∆ фазн (табл. 1). Также при наличии гармонических составляющих, в нулевом проводе протекает ток I д.нул , который превышает фазный I д.фазн на ∆ нул . Таблица 1 – Отклонение значений фазного и нулевого тока с учетом поправочного коэффициента Марка кабеля

АВВГ-п 4х2,5 мм2 АВВГ-п 3х4+1х2,5 мм2

18,43

∆ фазн , % 13,81

∆ нул , % 1,8

23,43

20,62

1,75

I д.фазн , А

I д.нул , А

18,1

23,02

таб I дл.доп ,А

При значительной несимметрии ток нулевого провода может превышать фазные токи, что создает проблему перегрузки и его возможного повреждения. В связи с этим, возникает необходимость знать точ-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ную величину тока в нулевом проводе расчетным путем. В ходе вычислений будет использоваться графический метод для наглядности, а расчетная часть выполняется с применением тригонометрических формул. На векторной диаграмме изображены заданные векторы токов А, В, С (рис. 1 а). Фаза А в качестве эксперимента имеет значение тока 22 А, фаза В–5% отклонение от заданного значения, т.е. 20,9 А, а фаза С– 10% отклонение, т.е. 19,8 А. На рис. 1 а) изображены проекции этих векторов на оси х и у, а на рис. 1 б) показано их сложение путем параллельного переноса. Вектор тока в нулевом проводе Iн вычислен по теореме Пифагора с учетом проекций Iнх и Iну. В табл. 2 сведены результаты полученных расчетов.

а) б) Рисунок 1 – Векторная диаграмма, поясняющая расчет тока в нулевом проводе при неравномерной активной трехфазной нагрузке: а– векторы токов трехфазной сети; б – ток в нулевом проводе Таблица 2– Значения проекций фаз токов А, В, С Фаза А Фаза В Фаза С

x 0 18,1 -17,15

y 22 -10,45 -9,9

Ток, А 22 20,9 19,8

Для расчета нагрева четырехжильных проводников при открытой прокладке был взят кабель АВВГ-п (рис. 2). Он состоит из трех фазных жил и одной нулевой жилы. Эксперименты, проведенные в программной среде Comsol Multiphysics, позволяют определить характер нагрева

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

электрических проводников и зоны наиболее сложной теплоотдачи (рис. 3).

Рисунок 2 – Конструкция четырехжильного кабеля АВВГ-п

Рисунок 3 – Расчетная схема моделирования нагрева кабеля АВВГ-п I= 21 А ) 4х2,5 мм2 в программной среде Comsol Multiphysics ( I= ф н В эксперименте проводилось вычисление температур в точке между жилой и изоляцией при работе одной, двух, трех фаз с током в нулевой жиле

Iф    Iн =  2  

(рис. 4), а также с разными кратностями тока в

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

нулевой жиле ( 0,5I ф , I ф , 1,5I ф , 2I ф ) при одновременной работе трех фаз (рис. 5).

Рисунок 4 – Результаты моделирования динамики нагрева АВВГ-п 4х2,5 мм2 при открытой прокладке на границе жила-изоляция и одновременной работе одной, двух, трех фаз (ток в нулевой жиле принят 0,5I ф )

Рисунок 5 – Результаты моделирования динамики нагрева АВВГ-п 4х2,5 мм2 при открытой прокладке на границе жила-изоляция с тремя работающими фазами и с кратностями протекающего тока в нулевой жиле 0,5Iф, Iф, 1,5Iф, 2Iф

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

Для определения длительно допустимого тока на основной частоте необходимо учитывать токи высших гармоник и влияние тока, протекающего в нулевой жиле. Расчет позволил получить значение тока основной частоты при заданном гармоническом спектре помехогенерирующих нагрузок, при котором изоляция проводника не будет перегреваться. Он приведен на примере кабелей АВВГ-п 4х2,5 мм2, АВВГ-п 3х4+1х2,5 мм2. В итоге, значение длительно допустимого тока кабетаб уменьшается на 13,81% и лей с учетом поправок на токи высших гармоник I дл.доп 20,62% соответственно. При наличии гармонических составляющих заданного спектра в нулевом проводе протекает ток I н , который превышает фазный I ф на 1,8% и 1,75% соответственно. В экспериментальных целях для кабеля АВВГ-п 4х2,5 мм2 были взяты несимметричные значения токов фаз А- 22 А, В- 20,9 А, С- 19,8 А. То есть, при отклонениях двух токов фаз от номинального (фаза В- 5%, фаза С- 10%) в нулевом проводе протекает ток, равный 8,68% от номинального тока фазы А. У кабеля АВВГ-п сечением 2,5 мм2 при максимально допустимой загрузке фазных жил и токе в нулевой жиле Iн =0,5Iф установившаяся температура не превышает 70°С, а при Iн =Iф, 1,5Iф, 2Iф прослеживается перегрев на 11°С, 32°С и 63°С. Поэтому требуется снижать величину I ф , чтобы установившаяся температура нагрева находилась в пределах 68-69°С. Таким образом, допустимая температура нагрева кабеля зависит от значения тока в нулевой жиле Iн

Перечень ссылок

1. Шидловский, А.К. Высшие гармоники в низковольтных сетях[Текст]: монография / Шидловский А.К., Жаркин А.Ф. – Киев: изд. Наукова думка, 2005 – 210 c. 2. Белицкий, А.А. Оптимизация режимов работы электромеханического комплекса предприятия по критерию минимума тока в нулевом проводе [Текст] : дис. … канд. техн. наук. : 05.09.03 / Белицкий Антон Арнольдович. – Санкт-Петербург : Санкт-Петербургский горный университет, 2017. 123 с. 3. Caramia P., Carpinelli G., Verde P., Mazzanti G., Cavallini A., Montanari G.C. An approach to life estimation of electrical plant componentsin the presence of harmonic distortion / P.Caramia, G.Carpinelli, P.Verde,G.Mazzanti, A.Cavallini, G.C.Montanari // Harmonics and Quality of Power:Proc. 9th International Conference on. Orlando (Florida, USA). - 2000. P. 887-892 4. Расчет тока в нейтральном проводе при неравномерной активной трехфазной нагрузке [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://kd150kv.org/raschety.php#np 5. Симуткин М.Г. Разработка методов оценки влияния нелинейных электроприемников на режимы работы оборудования распределительных сетей [Текст] : дис. … канд. техн. наук. : 05.14.02 / Симуткин Максим Геннадьевич. – Москва : Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2014. 150 с.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311.001.63-52(075.8)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ПАКЕТЕ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ КОМПАНИИ CSOFT И.Р. Нестеренко, И.А. Бершадский ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

Проведен обзор современного САПР компании CSOFT в области электроэнергетики. Рассмотрен пример использования программы EnergyCS Режим для проведения расчета параметров электрической сети. Ключевые слова: САПР, электроснабжение, CSOFT, проектирование, электрическая сеть, подстанция This article is dedicated to the review of modern CAD systems from CSOFT in the field of electric power industry. An example of the use of the EnergyCS Mode program for the calculation of electric network parameters. Keywords: CAD, electricity. CSOFT, engineering, electrical network, substation. Во времена бурного развития электнно-вычислительной техники все большее преимущество возникает у систем автоматизированного проектирования в связи с более высокой скоростью проведения вычислительных процессов, а также более высоким объемом обрабатываемых данных. В настоящее время существует достаточно много различных импортных систем автоматизированного проектирования, в связи с эти ведется активное импортозамещение отечественными продуктами. Одним из них является программный комплекс «EnergyCS 3» от компании CSOFT, предназначенный для выполнения расчетов режимов при проектировании и эксплуатации электроэнергетических систем любой сложности, а также для решения смежных задач. Комплекс состоит из трех независимых программ, каждая из которых решает определенную задачу в единой информационной модели рассматриваемой электрической сети: -расчет и анализ установившихся режимов (EnergyCS Режим); -расчет токов короткого замыкания и токов замыкания на землю (EnergyCS ТКЗ); -расчет потерь электроэнергии в сложных энергосистемах (EnergyCS Потери).

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В рамках данного программного продукта предусмотрены следующие функции: −создание расчетной модели электрической сети с использованием множества трансформаторов, линий, генераторов и другого оборудования с традиционным ее представлением в виде узлов и ветвей; − возможность использование для ввода расчетной модели специального графического редактора и встроенной справочной базы данных электротехнического оборудования, а также расширения справочной базы ручным способом; − расчет уровней напряжений, токов, потоков и потерь мощности при заданных нагрузках и генерации в узлах или мощности в головных участках фидеров разомкнутой сети; − определение начальных значений токов трехфазных коротких замыканий (КЗ) с учетом режима, предшествующего КЗ, а также значений ударных токов короткого замыкания; − оценка токов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью; −реализована функция цветовой маркировки по различным параметрам: • по номинальным напряжениям; • по коэффициентам загрузки оборудования; • по связанности с заданными узлами. Одним из полезных свойств данного программного продукта является способность взаимодействия с другими САПР, в частности с широко распространенной системой AutoCAD. В качестве примера был проведен расчёт участка электрической сети, которая приведена на рисунке 1. Питание сети осуществляется от системы с номинальным напряжением 220 кВ. Данная сеть состоит из 7 подстанций с номинальным напряжением 35 кВ (5 двухтрансформаторных и 2 однотрансформаторных), номинальное напряжение на низкой стороне трансформаторных подстанций составляет 10 кВ. Нагрузки трансформаторных подстанций приведены в таблице 1. Таблица 1 – Параметры трансформаторных подстанций Трансформаторная подстанция P, МВт Q, Мвар ТП1 12,5 5 ТП2 2 0,2 ТП3 0,8 0,16 Продолжение таблицы 1 ТП4 0,9 0,18

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ТП5 ТП6 ТП7

2 1,25 0,8

0,2 0,25 0,16

Рисунок 1 – Рассматриваемая сеть На рисунке 2 приведен пример результатов вычислений уровней падений напряжения. Регулирование данного параметра, в зависимости от режима работы сети, может осуществляться с помощью переключения между витками в трансформаторе, в данной сети в трехобмоточном. В таблице 2 приведены значения отклонения напряжений для шин трансформаторных подстанций. Согласно ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения» положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Пример результатов вычислений уровней напряжений Таблица 2 – Значения отклонения напряжений для шин трансформаторных подстанций Узел Величина отклонения Узел Величина отклонения 1 -2,72 % 10 3,71 % 2 1,15 % 11 5,5 % 3 6,74 % 12 8,77 % 4 1,08 % 13 9,36 % 5 0,647 % 14 6,12 % 6 5,3 % 15 -3,04 % 7 0,855 % 16 -2,06 % 8 1,52 % 17 -5,01 % 9 8,08 % 18 -1,27 % Исходя из данных, представленных в таблице 2, величина отклонения напряжения не выходит за пределы нормированного значения. На рисунке 3 приведен пример результатов вычислений коэффициентов загрузки трансформаторов подстанций

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 3 – Пример результатов вычислений коэффициентов загрузки трансформаторов подстанций Согласно с ГОСТ Р 52719-2007 значение коэффициента загрузки трансформатора не должно превышать значения 1,4 для двухтрансформаторной и 0,9 для однотрансформаторной подстанции. Исходя из результатов расчета максимальный коэффициент загрузки, для двухтрансформаторной подстанции равен 1,18 и 0,573 для однотрансформаторной подстанции, можно сделать вывод что значение коэффициента загрузки трансформатора не превышает допустимого значения. Перечень ссылок

1. Программный комплекс “EnergyCS Режим” (Расчеты установившихся режимов сложных электрических сетей) Руководство пользователя‒ Режим доступа: https://www.energycs.ru/support/download/energycs regim_user_guide.pdf.html 2. ГОСТ 32144― 2013. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения ‒ М., 2014. 3. Правила устройства электроустановок. ‒7-е издание / ред. А.М. Меламед. ‒М.: НЦ ЭНАС, 2011. ‒ 552с. 4. ГОСТ Р 52719-2007 Трансформаторы силовые. Общие технические условия ‒ М., 2008.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ИМИТАЦИЯ СЛУЧАЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ А.А. Булгаков, В.А. Коваленко, Л.А. Колесников ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

Рассматривается вероятностная модель изменения электрической нагрузки. Представлены результаты имитации случайного процесса изменения электрической нагрузки в электрической системе. Показано поэтапное улучшение качества воспроизведения теоретической автокорреляционной функции по эстафетному методу. Ключевые слова: Электрическая нагрузка, случайный процесс, автокорреляционная функция, имитация Annotation. A probabilistic model of electrical load is considered. The results of simulating a random process of electrical load in an electrical system are presented. The stage-by-stage improvement of the quality of reproduction of the theoretical autocorrelation function by the relay method is shown. Keywords: Electrical load, random process, autocorrelation function, simulation Постановка задачи 1. В общем случае процессы изменения нагрузки в системах электроснабжения имеют случайный характер, поскольку определяется индивидуальными особенностями множества отдельных электроприемников системы и технологическими процессами производства, которые содержат элементы случайности. Вероятностная модель изменения электрической нагрузки была предложена проф. Г.М. Каяловым [1-2]. Ряд задач в системах электроснабжения не имеет аналитических решений и может быть разрешен лишь путем имитационного моделирования, достоверность которого требует точного воспроизведения числовых характеристик случайных процессов изменения электрической нагрузки при имитации. Модель нагрузки. При расчетах в системах электроснабжения обычно используется модель задания нагрузки в виде токов. Моделируемый процесс изменения нагрузки I (t ) в амперах является стационарным эргодическим процессом с нормальным распределением ор1

Авторы благодарят проф. Куренного Э.Г. за помощь в постановке задачи.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

динат и характеристиками: среднее значение I c и среднеквадратическое отклонение (СКО) σ I . Процесс I (t ) является функцией времени и моделируется дискретным с шагом Δ. Ординаты процесса являются зависимыми. Степень линейной связи отдельных ординат на расстоянии τ в среднем характеризует автокорреляционная функция (КФ). Характерными КФ для процессов изменения электрической нагрузки в системах электроснабжения является экспоненциальная = K I ( τ ) σ 2I exp {−α τ }

(1)

и экспоненциально-косинусоидальная КФ = K I ( τ ) σ 2I exp {−α τ }cos {ω0 τ}, (2) которая указывает на наличие скрытой периодичности в I (t ) . В формулах (1) и (2) ω0 – коэффициент, характеризующий скрытую периодичность, а α – декремент затухания КФ, величина обратно пропорциональная времени корреляции α = 1 τ к , которое может быть определено по формуле ∞

τ к = ∫ RI ( τ ) dτ 0

(3)

с использованием нормированной КФ K (τ) RI ( τ ) = I 2 . (4) σI Отметим, что наряду с КФ вида (1) и (2), которые являются не дифференцируемыми в окрестности 0+, процесс изменения электрической нагрузки может характеризоваться и более сложной КФ [3]   α σ 2I exp {−α τ } cos {ω0 τ} + sin {ω0 τ } , K I (τ) = (5) ω0   которая в той же области является дифференцируемой. Обычно сначала моделируют нормированный случайный процесс x (t ) с нулевым средним значением xc = 0 о.е. и единичным СКО σ x = 1 о.е., а после переходят уже к процессу I (t ) . Эстафетный метод, предложенный на кафедре электроснабжения промышленных предприятий и городов ДонНТУ [4], относится к группе перестановочных методов. Пусть требуется воссоздать значение КФ имитационного процесса в нескольких точках, каждая из которых задана значениями аргумента τ зl и КФ K l ( τ зl ) , где l – порядковый номер точки. Предположим, что каким-либо методом получена случайная последователь25

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ность ординат процесса x (t ) , функция распределения которой удовлетворяет заданным требованиям. Тогда среднее значение хс и дисперсия будут равны соответствующим характеристикам искомого процесса х(t). Очевидно, любая перестановка ординат в пределах длительности реализации T не меняет вида распределения и его моментов, но приводит к изменению КФ. Идея метода состоит в изменении КФ процесса за счет перестановок ординат реализации. Ординаты имитационных процессов разделены малым интервалом ∆ при общем их количестве N ∆ = T / ∆ + 1. В связи с этим КФ вычисляется по формуле:

K j =

1 N∆ − j xi xi + j − xс2 , ∑ N ∆ − j i =1

(6)

где i = t / ∆ , j = τ / ∆ – количество интервалов ∆ в интервалах t и τ . В контролируемых точках вычисляются и сравниваются заданная КФ и КФ полученного процесса, оценивается их разность. В общем случае необходимо переставить ординаты процесса таким образом, чтобы для заданных аргументов τ зl = jl ∆ отличия между КФ были бы минимальными. Очевидно, что каждую перестановку следует выполнять только в том случае, если в результате ее хотя бы по одной контролируемой ординат КФ различие между КФ уменьшается, а по другим, по меньшей мере, не увеличивается. Количество возможных комбинаций перестановок ординат даже при конечном их числе очень большое. Поэтому найти теоретически оптимальный алгоритм минимизации перестановок вряд ли возможно. Предложен следующий алгоритм перестановок. Сначала поочередно проверяется возможность перестановки каждой ординаты xi с начальной ординатой. Если в некоторой точке i = r выполняется условие перестановки, то ордината xr меняется местами с начальной. После перестановки выполняется пошаговый перебор, но уже оцениваются перестановки ординат при i ≥ r + 1 с ординатой xr , которая заняла место начальной ординаты. Иными словами, ордината x1 так сказать передала эстафету ординате xr – отсюда и название метода. Если в процессе дальнейших переборов встретится новая подходящая ордината xs , то меняются ординаты xr и xs , а ордината x1 остается на месте i = r. После окончания перестановок относительно i = 1 вся процедура снова повторяется, но начиная со второй ординаты.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Процедура перестановки ординат процесса в эстафетном методе иллюстрируется рисунком 1. Практическая реализация. В качестве эталонной (теоретической) задавалась экспоненциальная КФ со значениями α, равными 0,4, 0,2, 0,1, 0,05 и 0,01. На рисунке 2 эталонная КФ показанная точечной линией. Непрерывной линией показана улучшенная КФ. Число исходных точек процесса было принято равным 500. Число контролируемых точек КФ принималось равным 50, 100 и 250. x а) x1

t Δ

б) x1

t x

в) xr

Рисунок 1 – К пояснению эстафетного метода: исходный процесс (а), результат перестановки ординат x1 и xr (б), результат перестановки ординат xr и xs (в) Преобразование КФ проводилось поэтапно в 4 этапа. Путем поэтапного улучшения КФ (число контролируемых точек принято 100)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

для значений α равных 0,4, 0,2 и 0,1 удалось достичь точности моделирования 10%, а для α равного 0,05 и 0,01 только 20%. Увеличение числа контролируемых точек КФ приводит к затягиванию процесса преобразования и уменьшению точности моделирования. Наоборот, уменьшение числа контролируемых точек КФ до 50 точек привело к ускорению процесса моделирования. Полученная точность КФ в 10% является достаточной для моделирования случайных процессов изменения электрической нагрузки в системах электроснабжения, однако она не является предельной. Дальнейшее преобразование для улучшения имитационной КФ и получения большей точности возможно, но требует также дополнительных затрат по времени. о.е. х(t)

а) t, о.е.

K(τ)

б)

τ, о.е.

о.е. х(t)

в) t, о.е.

K(τ)

г)

τ, о.е.

Рисунок 2 – Первый (а, б) и четвертый (в, г) этапы преобразования исходного процесса эстафетным методом для α = 0,2 о.е.: нормированный процесс (а, в) и его КФ (б, г)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Результирующий случайный процесс I (t ) , который получен умножением каждой ординаты нормированного процесса x (t ) на σ I и прибавлением среднего значения I c , показан на рис. 3. 100 A

I (t )

80 60 40 20 t, с 0

Рисунок 3 – Стационарный случайный процесс изменения тока с характеристиками: Ic = 50 A, σI = 5A

Выводы

1. Использование эстафетного метода для имитации обеспечивает получение случайных процессов не только с заданным законом распределения, а и с желаемой КФ. 2. Применение эстафетного метода позволяет контролировать качество воспроизведения КФ для заданного количества ординат.

Перечень ссылок

1. Каялов, Г.М. О применении теории вероятностей к анализу нагрузок промышленных электросетей / Г.М. Каялов // Изв. вузов. Электромеханика. – 1958. – № 1. – C. 73-79. 2. Каялов, Г.М. Теория случайных процессов и расчет нагрузок заводских электрических сетей / Г.М. Каялов // Изв. вузов. Электромеханика. − 1961.− № 11. − С. 65-81. 3. Ведерников, А.С. Метод квадратичного кумулятивного осреднения в расчетах резкопеременных графиков электрических нагрузок систем электроснабжения : автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.09.03 / Ведерников Александр Сергеевич. − Самара, 2005. – 25 с. 4. Погребняк Н.Н. Метод квадратичного инерционного сглаживания в расчетах нагрузок промышленных электрических сетей: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.14.02 / Погребняк Наталья Николаевна. − Донецк, 1999. – 25 с.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316.925

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ САПР ВОЗДУШНЫХ ЛЭП ДЛЯ ПРОЕКТНЫХ РАСЧЕТОВ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА НА ПРОВОДАХ И ТРОСАХ В.Я. Горин, В.В. Фролов ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

Рассматриваются результаты разработок по дальнейшему развитию структуры и расширению функциональных возможностей учебно-исследовательского варианта системы автоматизированного проектирования воздушных линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения. С этой целью в структуре действующей УИ САПР ВЛ создан программный модуль расчета параметров режима плавки гололеда на проводах и тросах проектируемой ЛЭП. Ключевые слова: САПР, учебно-исследовательский вариант, проектирование воздушных линий электропередачи, программный модуль, режим плавки гололеда на проводах и тросах ВЛ, расчет параметров плавки Annotation. The results of developments are examined on further development of structure and expansion of functional possibilities of educationalresearch version of computer-aided of overhead power lines high and ultrahigh voltage. To that end in the structure of operating ER CAD OPL is created programmatic module of calculation of parameters of the mode of melting of ice-storm on wires and ropes of designed OPL. Keywords: CAD, educational-research version , planning of, overhead power lines, programmatic module, mode of melting of ice-storm on wires and ropes, calculation of parameters of melting На кафедре «Электрические системы» ДонНТУ в течение более чем четырех последних десятилетий успешно проводятся работы по созданию, использованию в учебном процессе и совершенствованию процесса автоматизированного проектирования воздушных ЛЭП (ВЛ) напряжением 35 – 750 кВ на базе учебно-исследовательской САПР (УИ САПР ВЛ). К настоящему времени, благодаря последним кафедральным разработкам, предложены и уже используются в учебном процессе две последние версии УИ САПР ВЛ.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Версия 0.4 позволяет при проектировании ЛЭП на базе САПР использовать астрономические методы ориентирования на этапе проведения изысканий по трассе проектируемой линии электропередачи. Версия 0.5 (рис. 1) построена уже по модульному принципу на базе новых разработанных на кафедре подходов к выполнению проектных расчетов больших переходов ВЛ через водные преграды и уточненного основного уравнения состояния провода. Эта версия была принята в качестве базовой при решении естественных проблем, связанных с дальнейшим развитием УИ САПР ВЛ. К ним, прежде всего, относится проблема повышения надежности передачи электроэнергии по воздушным ЛЭП в зимний период времени. Для решения этой проблемы в структуре версии 0.5 предусматривается создание в линейной подсистеме (рис.1) специального модуля с функциональными возможностями определения параметров режима плавки гололеда на проводах и тросах проектируемых ВЛ напряжением 35-220 кВ. САПР ВЛ ВН и СВН

Техническая система

Строительно-монтажная подсистема

Линейная подсистема Модуль систематического расчета проводов(тросов) на большом переходе

Модуль расчета параметров большого перехода

Модуль расчета параметров плавки гололёда ВЛ→Д10

Документальная система

Модуль расчета нагрузок ивыбора фундаментов под стальные опоры ВЛ →Д7

Модуль расчета мех.прочности проводов и тросов ВЛ (БП) Модуль выбора трассы ВЛ (БП), разработка плана и прод. профиля трассы ВЛ.

Модуль расчета нагрузок и выбора типовых закреплений ж/б опор ВЛ →Д7

Модуль расcтановки опор по продольному профилю трассы ВЛ Д1 Д4

Модуль расчета и выбора заземляющих устройств на опорах ВЛ →Д8

Модуль расчета пересечений с инженерными сооружениями и естественными преградами ВЛ → Д2→Д5

Модуль расчета монтажных стрел провеса проводов и тросов ВЛ→Д11

Д1. Журнал расстановки опор ВЛ Д2. Ведомость пересечений ВЛ Д3. Чертеж плана трассы ВЛ →Д4 Д4. Чертеж продольного профиля трассы ВЛ Д5. Чертежи пересечений по трассе ВЛ Д6. Чертеж большого перехода Д7. Ведомость опор и фундаментов ВЛ Д8. Ведомость заземляющих устройств на опорах ВЛ Д9. Ведомость гирлянд изоляторов Д10. Ведомость плавки гололёда Д11. Монтажная таблица

Рисунок 1 – Функциональная схема УИ САПР ВЛ (версия 0.5)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Воздушные линии, имеющие большую протяженность, являются наименее надежными элементами энергосистемы. Причинами повреждений воздушных ЛЭП являются природные (ветер, гололед, перепад температур, грозы) и технические (короткие замыкания – КЗ, внутренние перенапряжения, нарушения правил технической эксплуатации и т.п.) воздействия. Значительная часть аварийных отключений ЛЭП обусловлена гололедными явлениями, доля таких аварий от общего числа составляет для России около 10%. При гололедных авариях возникают массовые провисания и обрывы проводов, разрушения арматуры, поломки опор воздушных ЛЭП. На их устранение уходит несколько дней и затрачиваются огромные материальные средства. Время ликвидации гололедных аварий превышает среднее время ликвидации прочих аварий в среднем в 10 и более раз. Проблема обледенения проводов воздушных ЛЭП довольно остро стоит во всем мире Подобные аварии носят массовый характер и в масштабе государства приносят значительные финансовые потери. Поэтому во всем мире активно проводятся разработки средств борьбы с обледенением ЛЭП, среди которых, в основном, используются только два метода: тепловой (плавка гололеда) и механический (обивка деревянными штангами проводов ЛЭП с гололедными отложениями). В подавляющем большинстве случаев применяется плавка гололеда. Правила устройства электроустановок рекомендуют применение плавки гололеда на проводах линий электропередачи в районах с толщиной стенки гололеда 25 мм и более, а также в районах с частыми образованиями гололеда или изморози в сочетании с ветрами и в районах с частой и интенсивной пляской проводов. При этом плавку гололеда рекомендуется предусматривать на проводах проектируемых ВЛ напряжением до 220 кВ включительно. Плавка гололеда на грозозащитных тросах должна предусматриваться в тех случаях, когда возможно опасное приближение освободившихся от гололеда проводов к тросам, покрытым гололедом. При определении токов и времени плавки необходимо учитывать энергию на расплавление льда, на теплоотдачу в окружающую среду и на нагрев провода и гололеда до температуры, при которой может начаться плавление льда. Плавку гололеда следует производить возможно большими токами, что позволяет быстрее завершить ее и восстановить нормальную работу сети. Режим плавки должен выбираться по наиболее гололедному участку линии. Наибольший ток плавки должен быть ограничен нагревом провода (троса) без гололеда. Допустимую температуру проводов и тросов при плавке можно принять равной

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

900С. Температуру воздуха и скорость ветра принимают по наблюдениям метеорологических станций (или собственных) на участках со слабым гололедом или в местах, где он не образуется. При отсутствии данных о скорости ветра, величину её можно принимать равной половине наблюдаемой на наиболее гололедных участках линии. Определение наибольших допустимых токов плавки производится по формулам [1]: 3    273 + 0,5 ( tдоп + t )  0,3  2 0,75 I Mд ⋅ Rtдоп 7, 24   ε ⋅ d + 0,16d ( tдоп − t )  ( tдоп − t ) 1000     , 3    273 + 0,5 ( tдоп + t )  = I ⋅ Rtдоп 7, 24   ε ⋅ d + 1,1 v ⋅ d  ( tдоп − t ) , 1000     где I Mд - наибольший допустимый ток плавки, А; Rt - сопротивление 1 м провода или троса при допустимой температуре провода, Ом; d - диаметр провода или троса, см; ε - постоянная лучеиспускания (для алюминиевых и медных проводов имеет значение порядка 0,6; для стальных тросов порядка 0,3); tдоп - допустимая температура нагрева провода,0С; t - температура воздуха, 0С; v – cкорость ветра, м/с. Первая формула применяется для погоды со скоростью ветра менее 1,0 м/с; вторая – со скоростью ветра более 1,0 м/с. В [1] приводятся наибольшие токи плавки для характерных погодных условий. Время плавки гололеда зависит от значения тока, размеров и плотности гололедно-изморозевых образований, их формы, скорости ветра и температуры воздуха. Расчет требуемого тока и времени плавки в длительном режиме производится по формуле [1]:   2   0, 045 γ D R t ∆ 2 г I п= ⋅ R ⋅τ ⋅τ + 10γ г d ⋅ b + ⋅  RТ 1 + 0, 22 Т 0  ∆t + Σс ⋅ γ п ⋅ S ⋅ ∆t D RТ 0 + RТ 1 RТ 0 + RТ 1  lg  d   где I п - ток плавки, А; R – сопротивление 1 м провода или троса при 0 0 С, Ом; τ - время плавки, ч; ∆t - разность между температурой провода и воздуха, γ г - объемный вес гололеда, г/cм3; b – толщина стенки гололеда, см; d – диаметр провода, см; D - внешний диаметр провода с гололедом, см; RТ 0 - тепловое сопротивление 1 м гололедного цилиндра при переходе 2 Mд

доп

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

от внутренней к наружной поверхности,

м 0С ; RТ 1 - тепловое сопротивВт

ление при переходе c 1 м длины наружной поверхности обледенелого провода

м 0С Вт в воздухе, ; λ - коэффициент теплопроводности, 0 ; С – теплоВт см С Вт ⋅ с емкость материала провода, 0 ; γ п - объемный вес материала прогС

вода, г/cм3; S - сечение провода, см2. Приведенные соотношения были положены в основу алгоритма разработанной компьютерной программы для определения параметров плавки гололеда на проводах и тросах ВЛ. Расчет начинается с ввода исходных данных по ВЛ, которые включают в себя: напряжение ЛЭП, ее длину, число тросостоек на линии, марку провода и троса, расчетную толщину стенки гололеда, сопротивление заземляющего устройства. Затем производится выбор данных по схемам плавки гололеда на проводах (тросах) ВЛ. После этого производится расчет тока и мощности плавки гололеда на проводах (тросах) ЛЭП для всех выбранных расчетных схем по вышеизложенной методике. После расчета тока плавки выполняется проверка тока на его допустимость в нормальном режиме. Если ток не превышает допустимый, то производится обнуление рабочих баз, используемых впоследствии. Если же ток оказался больше допустимого, то происходит изменение схемы и весь расчет повторяется. Затем производится расчет времени плавки гололеда для схем, прошедших по условию допустимости тока. Расчет параметров заканчивается выдачей на экран и в файл ряда расчетных значений: токов, мощностей и времени плавки для проводов и тросов; а также значений расчетных сопротивлений для различных схем плавки. Согласно проведенным компьютерным расчетам параметров плавки гололеда на проводах и тросе ВЛ 110 кВ длиной 4,6 км и толщиной стенки гололеда 15 мм были получены следующие результаты. Для плавки гололеда на проводах и тросе проектируемой двухцепной ВЛ 110 кВ необходимо предусмотреть установку (на подстанции с функциями источника питания) силового трансформатора с Uном =6 кВ и мощностью не менее 1,6 МВ.А. Плавка гололеда на проводах АС185/29 производится переменным током по схеме «змейка» (однофазное КЗ) [1], при этом по расчету параметры плавки следующие: I п= 426,5 A < Iдоп = 1270 A; Sп = 1,4774 МВА; tп = 89,2мин. Плавка гололеда на тросе ТК-70 производится также переменным током по схеме двухфазного КЗ[1], при этом параметры плавки будут следующими:

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

I п = 147,5 A < Iдоп = 1270 A; Sп = 0,885 МВА; tп = 15 мин. Выводы

Все параметры плавки гололедно-изморозевых отложений на проводах и тросе проектируемой ВЛ находятся в допустимых пределах, что позволяет сделать общий вывод о целесообразности применения выбранных схем плавки гололеда и эффективности использования УИ САПР ВЛ.

Перечень ссылок

1. РД 34.20.511 (МУ 34-70-028-82). Методические указания по плавке гололёда переменным током. Ч. 1. - М.: Союзтехэнерго, 1983. – 82 с.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62-83

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОСЦИЛЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО МЕХАНИЗМА КАЧАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК А.Н. Минтус, К.К. Андрющенко ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье рассматривается способ повышения точности осцилляции в переходных режимах путем реализации комбинированного управления электроприводом электромеханического механизма качания кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок. Ключевые слова: Электропривод, задающее устройство, точность отработки системы, колебательное воздействие, МНЛЗ, кристаллизатор The article deals with increasing the accuracy of oscillation in transient modes by implementing a combined control of the electric drive of the Electromechanical mechanism for swinging the mold of a continuous casting machine. Keywords: Electric drive, setting device, accuracy of system debugging, oscillating effect, continuous casting machine, crystallizer. Механизм качания кристаллизатора входит в состав технологического оборудования машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Он предназначен для обеспечения колебательного движения кристаллизатора в соответствии с заданными параметрами. Привод механизма качания должен обеспечивать высокую точность колебательных движений кристаллизатора в соответствии с заданными по технологическим режимам параметрами качания (амплитуда и частота) [1]. При отклонении от требуемых параметров возможно возникновение аварийных режимов, при котором раскалённая струя металла может прорваться через корочку формирующейся заготовки и создать опасную ситуацию для жизни обслуживающего персонала. Параметры качания определяются в функции скорости разливки. Так как в процессе разливки технологически скорость может меняться (например, при заменах сталь ковша, когда высота ферритового столба в промежуточном ковше будет уменьшаться), то и параметры качания кристаллизатора в переходных режимах также будут изменяться. Поэтому целесообразно

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

реализовать такую систему управления механизмом качания кристаллизатора, чтобы была возможность динамического изменения как частоты, так и амплитуды качания, а время переходных процессов между установившимися режимами было минимальным. Это позволит, в том числе, повысить качество производимой заготовки и уменьшить количество технологической обрези. Традиционно технология качание кристаллизатора реализуется на базе гидравлических приводов [2], но с появлением линейных актуаторов на основе ролико-винтовой пары возможна реализация электроприводов механизмов качания кристаллизатора на их базе, так как они имеют множество преимуществ в сравнении с гидроприводами, такие как: • высочайшая грузоподъемность, осевая жесткость и долговечность благодаря очень большой площади контакта поверхностей качения; • исключительно высокая точность позиционирования и повторяемость, даже при минимальном перемещении; • устойчивость к ударам, загрязнениям и недостаточному смазыванию; • бесшумная работа благодаря удержанию и согласованию роликов; • плотная «упаковка» составных частей обеспечивает малые установочные габариты; • эффективные уплотнения обеспечивают малый расход смазки и чистоту; • не требуются установки гидролиний, сервоклапанов, маслостанций (для который необходимо дорогостоящее масло) и тд. Исходя из вышеизложенного в данной работе будет рассмотрен способ повышения точности отработки электроприводами управляющих гармонических воздействий. В работах [3,4] и др. показана эффективность комбинированного управления в системах с задающими устройствами. При реализации комбинированного управления передаточная функция (ПФ) замкнутой системы в общем случае может быть представлена в виде отношения двух операторных полиномов: x( p ) 1 + b1 p + b2 p 2 +  + bm p m B( p ) K ( p) = = = (1) , g ( p ) 1 + a1 p + a 2 p 2 +  + a n p n A( p ) Условия инвариантности можно достичь, если bi=ai, (2) Таким образом целесообразно сформировать на входе системы по-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

мимо самого гармонического воздействия, также сигналы, которые будут пропорциональны его производным. Возможное количество производных ограничивается только порядком передаточной функции замкнутого контура системы. Следует отметить, что в чистом виде использовать дифференцирующие звенья (3) K ( p ) = τp , для выделения производных невозможно, а реализация реальных дифференцирующих звеньев τp K ( p) = , (4) Tp + 1 не целесообразна, так как при этом формируются дополнительные апериодические составляющие, увеличивающие общий порядок системы. Поскольку входным воздействием является гармонический синусоидальный сигнал, то реализация его производных возможна и без наличия дифференцирующих звеньев. Сформировав синусоидальный и косинусоидальный сигналы, можно получить любое количество производных при комбинации этих сигналов. g (t ) sin(ωt + φ ) = g ′= (t ) cos(ωt + φ ) ⋅ (ωt + φ= )′ cos(ωt + φ ) ⋅ ω g ′′(t ) =⋅ ω (− sin(ωt + φ ) ⋅ (ωt + φ )′) = − sin(ωt + φ ) ⋅ ω 2

(5)

g ′′′(t ) = (−ω 2 ) ⋅ cos(ωt + φ ) ⋅ (ωt + φ )′ = − cos(ωt + φ ) ⋅ ω 3 g ′′′′(t ) =− ( ω 3 ) ⋅ (− sin(ωt + φ ) ⋅ (ωt + φ )′) =sin(ωt + φ ) ⋅ ω 4 По результатам выражений (5) можно сформировать задающее устройство (ЗУ) для реализации комбинированного управления (рис. 1) в котором можно изменять частоту и фазовый сдвиг изначальной синусоиды, ω-частота,·φ-угол сдвига.

−ω 3

= g 2 ( t ) cos (ωt + ϕ )

b2 b1

= g1 ( t ) sin (ωt + ϕ )

−ω 2

ω4

b3 b4

Рисунок 1 - Структурная схема комбинированного задающего устройства

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Поскольку современные системы электропривода являются системами с непосредственным цифровым управлением, то синтез был выполнен для таких систем [4]. Структурная схема контура регулирования положения представлена на рисунке 2. ωж ( zT 1 ) PC Т Tм Dϕ ( zT 1 ) Tс1

g ( zT 1 ) DЗУ ( zT 1 )

z zT 1 p

1 + WКТ ( zT 2 )

ω ( p)

i ( p)

Di ( zT 2 )

−1 T1

−1 T2

ω ДС ( zT 1 )

K n T2 Tя p + 1

1 Tм p

1 p

ϕ ( zT 1 )

D ДС ( р )

Рисунок 2 - Структурная схема системы регулирования положения ПФ регулятора тока:

( )

−

T2 TЯ

1 1 − d ж zT 2 − di , Di zT 2 = ⋅ ⋅ K п 1 − di zT 2 − 1 −

(7)

T2 TЖ

, dЖ = e . где d i = e Kп – коэффициент передачи ВП Tя – электромагнитная постоянная времени. ПФ разомкнутого КРТ имеет вид 1 − dж , (8) WKT zT 2 = zT 2 − 1 ПФ дискретного датчика среднего значения скорости определяется по выражению:

( )

(1 − e ) , ( p) = −T1 p

D ДС

ПФ регулятора скорости:

( )

Dω1 zT 1 = Tм / Tc1 ,

(9) (10)

где Tc1 – постоянная интегрирования разомкнутого контура регулирования скорости; Tм – электромеханическая постоянная времени. Период квантования в контуре регулирования тока равен Т2, а в контуре скорости – 𝑇𝑇1 = 𝑘𝑘 ∙ 𝑇𝑇2 , где k – является целым числом. Непрерывный аналог ПФ замкнутого контура регулирования скорости [3]:

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

K крс ( p ) =

где сж = τ с1=

( (

−bp 3 − p 2 + bp + 1

) )

(

)

2τ c1cж p + 2τ c1 1 + cж − b p + 2τ c1 + ( b − 1) p + 1 3

k 1 + dж

;= b сж −

k 1 − dж

(

k 1 − dж

Tc1 1  =  cж − b + 2 + T1 2 

(

, (11)

;

)

cж − b + 2

)

 + 1  – относительная постоян

ная интегрирования разомкнутой системы КРС; В качестве регулятора положения используется линейный регулятор (РП):

( )

Dϕ zT 1 =

1 , Tn

(12)

где Tn – постоянная интегрирования разомкнутого контура регулирования положения КРП. Непрерывный аналог дискретной передаточной функции замкнутого контура регулирования положения имеет вид: K крп ( p ) =

−bp 3 − p 2 + bp + 1

( (

) )

( (

где τ п= 1

(

) ) ) ( )

3  4τ τ c p 4 + 2τ 2τ n1 c1.c cж + 1 − b − b p +   n1 c1.c ж   + 2τ n1 2τ c1.c + b − 1 − 1 p 2 + 2τ n1 + b p + 1   

(13)

Tп = 2τ с1 − 1 - относительная постоянная интегрирования разоT1

мкнутого КРП, определенная из условия обеспечения модульного оптимума. Максимальное количество производных, которое может быть реализовано m=4 (m – количество реализованных производных в ЗУ). Передаточная функция ЗУ: (14) K ЗУ p = 1 + β1 p + β 2 p 2 + β3 p 3 + β 4 p 4 ,

( )

При комбинированном управлении ПФ будет:

( )

K спр p =

где

a0= 1; a1=

a3 =

( 2τ

( 2τ ( 2τ n1

a4 p 4 + a3 p 3 + a2 p 2 + a1 p + a0

(15)

); a = ( 2τ ( 2τ + b − 1) − 1); − b ) − b ) ; a 4τ τ c . ( c + 1)=

n1 + b

c1.с

β 4 p 4 + β3 p 3 + β 2 p 2 + β1 p + β 0 ,

c1.с 4

n1 c1.с ж

Рассчитав все необходимые значения β1-β4 из условия (2), выполним моделирование в программном пакете Matlab с использованием среды

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

динамического моделирования Simulink. Модель представлена на рисунке 3. Результаты моделирования предоставлены на рисунке 4, где приведены графики отработки системы регулирования положением с комбинированным (красная линия), без комбинированного (зеленая линия) и сигнал задания (черная линия).

Рисунок 3 - Модель системы регулирования положения где = Kr

Rя 1 − d ж ⋅ K т K п 1 − di

Рисунок 4 - Графики отработки системы положения Как видно из графиков, реализация комбинированного управления обеспечивает исключительно высокое качество осцилляции, когда в установившихся режимах практически отсутствует фазовый сдвиг относительно сигнала задания.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок

1. Смирнов А. Н., Антыкуз О. В., Цупрун А. Ю., Пильгаев В. М. Некоторые подходы к выбору рациональных параметров качания кристаллизаторов МНЛЗ / Электрометаллургия №5 2008. 2. Смирнов А. Н., Антыкуз О. В., Цупрун А. Ю., Пильгаев В. М., Володько И. Л. Особенности механизмов качания кристаллизатора с гидравлическим приводом / Д: ВЕСТНИК Донбасской государственной машиностроительной академии № 1 (18), 2010. с 290 – 294 3. Коцегуб П.Х., Минтус А.Н. Построение цифровых быстродействующих электроприводов механизмов прокатных станов с учетом ограничения фазовых координат на основе реализации комбинированного управления / К: Журнал “Металл и литье Украины” 1999. №5-6 с.26-27. 4. Минтус А.Н., Иванченко Ю.А Цифровые комбинированные системы регулирования положения с однократно интегрирующим контуром регулирования скорости при требованиях к ограничению скорости, ускорения и рывка. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.-2003. Т.1.-№2(19).-с.73-78.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ЭЛЛИПС РАВНОЙ ВЕРОЯТНОСТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИ ВЫПЛАВКЕ СТАЛИ В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

А.А. Булгаков, М.Р. Нейзман, Н.А. Майборода ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Рассматривается применение эллипса равной вероятности для оценки электропотребления при выплавке стали. По числовым характеристикам плавок построены эллипсы равной вероятности для расхода активной и реактивной электроэнергии. Показано их применение для оценки электропотребления. Ключевые слова: Электропотребление, дуговая сталеплавильная печь, вероятность The use of an ellipse of equal probability for estimating power consumption in steelmaking is considered. Ellipses of equal probability are constructed for the consumption of active and reactive power according to the numerical characteristics of the melts. The use of an ellipse of equal probability for estimating power consumption is shown. Keywords: Power consumption, electric arc furnace, probability Постановка задачи 1. Общемировой объем выплавки стали за последние десятилетия демонстрирует уверенную стабильность и рост [1-2]. На сегодняшний день одним из основных способов выплавки стали является электросталеплавильный, когда используются дуговые сталеплавильные печи (ДСП). На них приходится до 40% общемирового объема выплавленной стали. В основе выплавки стали в ДСП лежит использование электрической дуги, которая при горении выделяет значительное количество тепла, что позволяет эффективно расплавлять металл. ДСП как потребитель электроэнергии является весьма мощной сосредоточенной несимметричной и нелинейной нагрузкой и может существенно влиять на электромагнитную обстановку в электроэнергетической системе, снижая качество электрической энергии. На результат плавки оказывает влияние большое количество разнообразных факторов (завалка шихты, стохастический характер горения дуги, состояние электродов печи, опыт бригады сталеваров и т.п.) поэтому показатели плавок, такие как объем выплавленной стали V и 1

Авторы благодарят проф. Куренного Э.Г. за помощь в постановке задачи.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

количество затраченной активной Wа и реактивной Wр электроэнергии вполне закономерно будут являться случайными величинами. Учитывая недетерминированный характер горения электрической дуги, составляющий основу технологического процесса выплавки стали в ДСП естественно проводить оценку результата плавки с точки зрения эффективности электропотребления опираясь на вероятностный подход с заданным диапазоном практически достоверных значений (ПДЗ), что реализует принцип практической уверенности (ППУ) [3]. Построение эллипсов равной вероятности. На основании предыдущего опыта плавок (экспериментальный метод) для случайных величин V, Wа, Wр находятся числовые характеристики: средние значения Vс , Wас, Wрс, и среднеквадратические отклонения σV, σWа, σWр. Оценка плавки может производиться с помощью эллипса рассеяния (равной вероятности). Обычно [4-6] при построении эллипса рассеяния его центр совмещают с началом координат, а оси поворачивают и нормируют, однако такое преобразование не является обязательным. Уравнение эллипса рассеяния для расхода активной электроэнергии будет иметь следующий вид

(Wа − Wаc )

σW2 а

2r (W − Wаc )(V − Vc ) (V − Vc ) 2 − VWa а + = λ 2 (1 − rVW a ), 2 σWа σV σV 2

(1)

где параметр λ определяет вероятность попадания в эллипс [3-5]

ER = 1 − E x = 1 − exp {−λ 2 2},

(2)

которая связана с граничной вероятностью Ex. Для эллипса рассеяния реактивной электроэнергии формула, описывающая эллипс рассеяния будет иметь аналогичный вид

р − Wрc ) 2 Wр

−

2rVWр (Wр − Wрc ) (V − Vc ) σWр σV

(V − Vc ) 2 V

2 = λ 2 (1 − rVW р ).

(3)

Эллипсы рассеяния для расхода активной и реактивной электроэнергии при выплавке стали (рис.1) построены на основании опытных результатов N = 37 плавок в ДСП. Опытные точки отмечены кружками малого размера. Величины V, Wа, Wр даны в о.е., где базисными величинами приняты показатели нормы выплавки стали на предприятии. Граничная вероятность принята Ex = 2·0,05 = 0,1 для системы двух случайных величин. Средние значения Vc = 0,949 о.е., W = 0,836 о.е., W = 0,879 о.е. отмечены большими кружками. аc

рc

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1.2

Wa , о.е.

Опытные точки Эллипс рассеяния Среднее значение

1.1 1

б I

0.9

а)

0.8 0.7 0.6 0.5

III

IV V , о.е.

б 0.6

0.7

0.8

1.2 Wр , о.е.

0.9

1.2

1.3

Опытные точки Эллипс рассеяния Среднее значение

1.1

0.9 б)

0.8 0.7

0.6 0.5

III 0.6

0.7

0.8

IV V , о.е.

0.9

1.1

1.2

1.3

Рисунок 1 – Эллипс рассеяния для расхода активной (а) и реактивной (б) электроэнергии: λ = 2,146, Ex = 0,1, N = 37 плавок

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Ввиду малого количества опытных плавок (разные марки стали и условия плавок не позволяют существенно расширить выборку) ста(37 − 2) 37 = 0,946 попадания в элтистическая вероятность E R ст = 1 Ex = 0,9 . Проверку липс будет отличаться от теоретической ER =− корректности построения можно выполнить с помощью имитационного решения. Области ПДЗ. Применяя ППУ, результаты плавки можно считать удовлетворительными, если расчетная точка по данным плавки попадает внутрь эллипса рассеяния. В этом случае отклонение от среднего значения 2 присутствует в силу случайных факторов, воздействующих на процесс выплавки. Если же характеристики плавки находятся вне эллипса рассеяния, то эту ситуацию следует проанализировать. Две перпендикулярные прямые, которые параллельны осям координат, с точкой пересечения в центре эллипса рассеяния (Vс; Wас) делят плоскость на 4 квадранта. Если точка по данным плавки находится вне эллипса и попала в квадрант II или IV решение однозначно. Квадрант IV соответствует большему объему выплавки стали при меньшем расходе электроэнергии, что очевидно является хорошим показателем. Наоборот, квадрант II соответствует большему расходу электроэнергии и меньшему объему выплавки. При выходе расчетной точки за эллипс рассеяния во II-м квадранте, следует детальнее проанализировать ход плавки с целью обнаружения и устранения причин увеличения электропотребления при уменьшении объемы выплавки. Квадрант I соответствует большему объему выплавки при одновременном увеличении расхода электроэнергии, а квадрант III, наоборот, указывает на уменьшение обоих показателей. Большая ось эллипса рассеяния делит квадранты I и III на 2 области каждый. Она описывается уравнением

Wа (V= ) tgα (V − Vc ) + Wаc ,

(4)

где α – угол наклона прямой к оси V, который определяется по формуле

1 2r a σV σWа α = arctg VW . 2 σV2 − σW2 а

(5)

В статье не решается задача о нормировании электропотребления как в [7], но предлагается определение областей ПДЗ по эллипсу равной вероятности. Например, принятый центр эллипса может не соответствовать средним значениям, или предложено иное значение Ex.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В областях «б» I и III квадрантов соотношение V и Wа выгодное, а в областях «а» − нет, и также как в случае II-го квадранта ход плавки требует детального анализа. Аналогично рассматривается потребление реактивной электроэнергии при выплавке стали в ДСП по соответствующему эллипсу рассеяния для расхода реактивной электроэнергии. Выводы

1. Использование эллипсов равной вероятности позволяет находить области практически достоверных значений для системы случайных величин объема выплавленной стали и количества затраченной электроэнергии, что позволяет давать оценку результатов конкретной плавки с точки зрения электропотребления. 2. При расчетах важная роль отводится предыдущему опыту плавок, который позволяет сформировать исходную статистическую информацию. 3. Увеличение количества показателей плавок, существенно усложнит задачу нахождения областей практически достоверных значений, поскольку требует рассмотрения многомерных систем случайных величин.

Перечень ссылок

1. Ревинская, Л.А. Тенденции развития мировой и российской черной металлургии в кризисный период / Л.А Ревинская // Экономические науки. − 2015. − №2(123). − С. 72-77. 2. Бабаченко, А.И. Тенденции развития мировой металлургии / А.И. Бабаченко, Л.Г. Тубольцев, Н.И. Падун // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – 2017. − №31. − С. 10-21. 3. Дмитриева, Е.Н. Принцип практической уверенности в задачах электроэнергетики / Е.Н. Дмитриева // Электричество. – 2008. − №6. − С. 15-21. 4. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей / Е.С. Вентцель. – М. : Кнорус, 2010. – 664 с. 5. Пискунов, Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов. Учебное пособие для втузов. Т. 2 / Н.С. Пискунов. − 13-е изд. − М. : Наука, 1985. − 560 с. 6. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и радиоинженеров / Г. Корн, Т. Корн. − М. : Наука, 1970. – 832 с. 7. Вагин, Г.Я. Методы нормирования расходов электроэнергии на машиностроительных предприятиях / Г.Я. Вагин, С.А. Петрицкий // Промышленная энергетика. − 2007. − №12. − С. 1-7.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Е.В. Иванников, Д.В. Полковниченко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», В работе рассмотрены некоторые возможности автоматизированной системы контроля режимов работы силовых трансформаторов с целью повышения эффективности их эксплуатации. Ключевые слова: трансформатор, режим работы, автоматизированная система, перегрузка, диагностика The paper considers some features of an automated system for monitoring the operating modes of power transformers in order to improve their operation efficiency. Keywords: transformer, operating mode, automated system, overload, diagnostics. Высоковольтные силовые трансформаторы являются наиболее ответственными и дорогостоящими элементами в системе распределения электрической энергии. Надежность электрических сетей во многом определяется надежностью работы высоковольтных силовых трансформаторов. Автоматизация работы трансформаторов значительно повышает надежность электроснабжения потребителей и позволяет выбрать наиболее экономичный режим работы. Автоматизированная система контроля предназначена для: - контроля технического состояния трансформаторного оборудования в процессе эксплуатации; - формирования диагностических, предупреждающих и аварийных сообщений, ведения баз данных; - передачи информации о техническом состоянии оборудования в автоматизированную систему управления подстанции; Пользователями системы является персонал служб подстанции и эксперты по трансформаторам. Целью работы является повышение эффективности эксплуатации силовых трансформаторов за счет применения автоматизированной системы контроля режимов их работы.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Одной из главных задач эксплуатации трансформаторов является контроль режима их работы. Этот контроль осуществляется путем проверки нагрузки трансформатора, напряжения на обмотках, температуры масла и других параметров. На подстанциях с постоянным дежурством персонала контроль осуществляется с периодичностью 1...2 часа с фиксированием параметров режима в суточной ведомости [1]. Наиболее подверженным процессу старения элементом трансформатора является целлюлозная изоляция обмоток, фактически определяющая ресурс (срок службы) трансформатора. Основным фактором, влияющим на старение изоляции, является ее нагрев, обуславливающий термический износ изоляции. Существует так называемое 6-градусное правило: увеличение температуры изоляции на 6 градусов сокращает срок ее службы вдвое. Это правило справедливо в диапазоне температур 80... 1400С [2]. Наиболее интенсивный нагрев изоляции обмоток происходит при перегрузке трансформаторов. Перегрузки, обусловленные неравномерным суточным графиком нагрузки трансформатора, называются систематическими. Перегрузки, обусловленные аварийным отключением какого-либо элемента системы электроснабжения, называются аварийными перегрузками. Допустимость систематических и аварийных перегрузок трансформаторов при их эксплуатации регламентируется Руководством по нагрузке силовых масляных трансформаторов. Здесь учитываются система охлаждения трансформатора, температура охлаждающей среды, график нагрузки трансформатора и другие факторы, которые и служат исходными данными для автоматизированной системы. Для оценки допустимости перегрузки трансформатора суточный график его нагрузки преобразуется в эквивалентный по тепловому влиянию на изоляцию двухступенчатый график (рис.1,а) [1]. Эквивалентирование каждой части графика нагрузки проводится по условию одинакового теплового влияния на изоляцию действительного переменного и эквивалентного неизменного графика нагрузки. Далее проводится расчет переходного теплового режима в трансформаторе (рис.1,б), т.е. с учетом изменения нагрузки трансформатора и эквивалентной температуры окружающей среды Θа определяются зависимости изменения температуры масла на выходе из обмотки Θ0 и наиболее нагретой точки обмотки Θh [1]. Допустимость систематической перегрузки трансформатора подтверждается сопоставлением рассчитанных в конце интервала перегрузки температур наиболее нагретой точки обмотки Θht и масла на

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

выходе из обмотки Θ0t с предельными значениями этих температур для конкретного типа трансформатора.

Рисунок 1 – Двухступенчатый суточный график нагрузки (а) и переходный тепловой режим в трансформаторе (б) Для определения термического износа изоляции необходимо участки изменения температуры наиболее нагретой точки Θh разбить на интервалы Δti,, на которых изменение температуры Θh можно считать линейным (рис.1,б). На каждом из таких интервалов изменение Θh заменяется средним значением Θhi. Участок с неизменной температурой Θh, предваряющей перегрузку, учитывается одним интервалом Δti. Износ изоляции за сутки определяется в соответствии с шестиградусным правилом старения изоляции по выражению 1 V = ∑ ∆ti ⋅ 2 ( Θ hi − 98) / 6 . 24 i На подстанциях с двумя и более работающими трансформаторами и переменном графике их суммарной нагрузки возможна оптимизация количества работающих трансформаторов в течение суток. Критерий оптимальности - минимум потерь активной мощности [3]. На рис.2 приведены зависимости потерь мощности ΔР от нагрузки S для одного (n=l) и двух (n=2) трансформаторов. Видно, что при нагрузке S = S12 потери мощности в одном и двух трансформаторах равны. При нагрузке S < S12 целесообразно оставить в работе один трансформатор, а при нагрузке S > S12 - два трансформатора. В общем случае граничная мощность S12 определяется по выражению n(n + 1 )ΔPх , S n(n +1 ) = S ном ΔPк

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

где Sном, ΔРх и ΔРк - паспортные данные трансформатора: номинальная мощность, потери холостого хода и потери короткого замыкания (нагрузочные потери).

Рисунок 2 - Зависимости потерь мощности в параллельно работающих трансформаторах от нагрузки Таким образом, контролируя суммарную нагрузку подстанции система может выдавать рекомендации о целесообразном количестве работающих трансформаторов с точки зрения уменьшения потерь мощности и электроэнергии. Хроматографический анализ трансформаторного масла сегодня является одним из наиболее важных и эффективных диагностических методов, выявляющих широкий круг проблем оборудования, в том числе и на ранних стадиях развития [4]. Газовыделение зависит от режима работы объекта, продолжительности эксплуатации, примененных в нем материалов и ряда других не всегда легко учитываемых факторов. В числе выделяющихся газов, кроме окиси СО и двуокиси углерода СО2, имеются водород Н2, метан СН4, этан С2Н6, этилен С2Н4, ацетилен С2Н2. При разрушении изоляции, связанном с наличием повреждений, интенсивность процессов газовыделения резко повышается; может измениться также состав газов и их соотношение. Установлено, что каждому виду дефекта соответствует определенный набор и соотношение газов. В процессе диагностики при наличии нескольких замеров последовательно подключаются новые правила и проводится постепенное уточнение дефектов. Принято, что трансформатор имеет дефект при превышении концентрации хотя бы одним газом предельного значения. Наряду с прогнозированием дефекта формируются мероприятия по дальнейшему техническому обслуживанию трансформатора [5].

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

При этом очень тщательно анализируется технология развития дефекта, которая характеризуется различными признаками, принимающими значения 0 или 1. Каждому набору признаков в системе соответствует определенный набор рекомендаций (пример, табл.1) Таблица 1 - Связь между признаками дефекта и процесса его развития и набором рекомендаций по его уточнению и локализации последствий проявления дефекта Набор признаков

Набор рекомендаций

Р1

С1

С2

С3

С4

С5

С6

Выводы

Для повышения эффективности эксплуатации силовых трансформаторов предложено использовать автоматизированную систему контроля режимов их работы. В работе рассмотрены некоторые подсистемы: - определения допустимости систематических перегрузок силовых трансформаторов; - определения целесообразности отключения части трансформаторов на подстанциях электрической сети. - оценки состояния трансформатора на основе анализа растворенных в масле газов.

Перечень ссылок

1. Костин В.Н. Монтаж и эксплуатация оборудования систем электроснабжения: Учеб. пособие / В.Н. Костин. – СПб: СЗТУ, 2004. -184 с. 2. Эксплуатация силовых трансформаторов [Электронный ресурс] // Електроенергетика Режим доступа к журн.: https://forca.com.ua/ /instrukcii/pidstanciyi/ekspluataciya-silovyh-ransformatorov_3.html. 3. Лыкин А.В. Электроэнергетические системы и сети / А.В. Лыкин. – М.: Издательство Юрайт, 2018. – 360 с. 4. Хроматографический анализ растворенных в масле газов. Контроль за состоянием трансформаторов [Электронный ресурс] // Електротехнічний протал «Электроэнергетика» – Режим доступу: http://forca.ru/knigi/oborudovanie/kontrolza-sostoyaniem-transformatorov_5.html. 5. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле: РД 153-34.0-46.302-00. – Офиц. изд. – РАО "ЕЭС России".

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311.001.57 СРАВНЕНИЕ МЕТОДИК РАСЧЕТА ТОКОВ КЗ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В.А. Павлюков, С.А. Грунь ГОУВПО «Донецкий Национальный Технический Университет» Выполнен сопоставительный анализ методик расчета токов КЗ в электроустановках переменного тока, представленных в IEC 60909 и РД 153-34.0-20.527-98. Произведено тестирование основной проектной процедуры учебной САПР – расчета токов симметричных КЗ на типовой схеме из IEC 60909-4. Ключевые слова: электроустановки переменного тока, методики расчета токов КЗ, тестирование процедуры учебной САПР. A comparative analysis of the methods for calculating short-circuit currents in AC electrical installations, presented in IEC 60909 and RD 153-34.0-20.527-98, is performed. Testing of the basic design procedure for training CAD - calculation of symmetrical short-circuit currents on a standard circuit from IEC 60909-4 was performed. Keywords: AC electrical installations, methods for calculating shortcircuit currents, testing the training CAD procedures. Постановка задачи. Современная электроэнергетика требует выполнения большого количества расчетов, связанных с проверкой и выбором электроэнергетического оборудования. Для этого разрабатываются программы расчета на ПК различной сложности. Наиболее полно указанные расчеты реализуются в системах автоматизированного проектирования (САПР). Каждая САПР основывается на использовании нормативных методик расчета. Их примером для стран СНГ может служить [1]. В зарубежной практике широко применяется методика из [2]. На кафедре «Электрические станции» ДонНТУ была разработана учебная САПР электрической части ТЭС и сетевых подстанций [4]. В ней алгоритм основной проектной процедуры расчета токов КЗ основан на методике, изложенной в [1]. Для ее тестирования была выбрана расчетная схема из [3] (рис. 1), предлагаемая [2] для проверки программ расчета токов симметричных и несимметричных КЗ. По указанной схеме приведены параметры всех ее элементов, а также результаты ручного расчета токов КЗ. Результаты исследований. 53

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

По исходной схеме (см. рис. 1) в САПР была сформирована машинная расчетная схема (рис. 2). На схему были установлены восемь точек КЗ, для которых в [3] приведены результаты ручных расчетов токов КЗ. В результате расчета была получена сводная таблица расчета токов КЗ (рис. 3).

Рисунок 1 – Схема тестовой задачи В таблице 1 приведено сопоставление токов КЗ: исходных по [3] и рассчитанных по подсистеме САПР. Как видно из приведенных данных, в большинстве тестируемых точек погрешность расчета не превышает 5%, что, во-первых, свидетельствует о правильности алгоритма и работоспособности программы расчета токов КЗ. Для определения природы полученных отличий величин токов КЗ был проведен сопоставительный анализ указанных методик, в результате которого было выявлено, что главной причиной расхождений в расчетах токов КЗ является способ размещения ЭДС источников. В [2] одна для всех источников ЭДС, равная номинальному напряжению, умноженному на коэффициент С, размещается в одной точке КЗ. На рисунке 4 приведена эквивалентная схема замещения, соответствующая расчетной схеме (см. рис. 1). На нем показана ЭДС, соответствующая точке КЗ в узле 1. При этом величина коэффициента С принимается равной 1,1 для максимального режима работы элект54

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

роустановки и 1 - для минимального. Такое представление источников упрощает немашинное преобразование расчетных схем.

Рисунок 2– Машинный вариант тестируемой схемы

Рисунок 3 – Машинная сводная таблица расчета токов КЗ 55

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 1 – Сопоставление данных расчета токов КЗ Номер Номинальное In0, кА точки напряжение, по МЭК САПР КЗ кВ 1 380 40,64 38,7 2 110 31,78 32,1 3 110 19,67 19,5 4 110 16,23 16,1 5 110 33,19 33,0 6 10 37,56 38,4 7 10 25,59 25,4 8 30 13,578 12,9

δ. % -4,77 1,01 -0,86 -0.8 -0.57 2,24 -0,74 -4,99

В [1] ЭДС источников размещаются в их ветвях вместе с их внутренними сопротивлениями, как это показано на эквивалентной схеме замещения (рис. 5). Для моделирования КЗ в точку КЗ устанавливается шунт короткого замыкания с очень малым сопротивлением. Такой способ учета источников энергии позволяет более полно учитывать особенности различных систем возбуждения и предшествующие КЗ режимы их работы. К преимуществам методики расчета токов КЗ из [2] следует отнести единый алгоритм расчета токов КЗ для электроустановок переменного тока напряжением больше и меньше 1 кВ. В свою очередь преимуществами расчета по [1] являются: - применение в расчетах токов КЗ относительных единиц, что позволяет формировать более универсальные алгоритмы для расчетных схем произвольной конфигурации; - учет параметров электрической дуги, который позволяет более точно моделировать режимы КЗ в электроустановках напряжением менее 1 кВ. Отличия величин токов КЗ определяются также применением различных кривых изменения периодических составляющих токов КЗ во времени. В [2] для этих целей применяется один график для всех электрических машин (рис. 6). В [1] представлено семейство типовых кривых для разных систем возбуждения генераторов, результаты оцифровки, одна из которых в качестве примера приведены на рисунке 7.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ZL1 0.3+j0.975

Zt38MV 0.054-j0.079

ZQ1 0.056+j0.568

ZL4 0.96+j3.88

ZS2 1.203+j35.34

Zt3a ZGS 0.045+j8.09 0.408+j20.29

ZL3 0.3+j0.975

ZL2 0.3+j0.975

ZL5 1.8+j5.79

10 6

Eкз ZQ2 0.434+j4.344

ZS1 0.4987+j26.336

ZG3 2.133+j130.705

Zt5=Zt6 2.046+j49.072

ZL6 9.86+j10.316

ZM1 40.96+j409.64

ZM2 49.43+j494.37

Рисунок 4 – Схема замещения по IEC 60909 XL1

8 1

Xt38MV

XQ1 EQ1

Xt3a

Xsh 0.0000001

XGS

XL3

XL4

XS2 EG2

3 XL2

XL5

EG1

XS1

EG3

6 XQ2

XG3

Xt5=Xt6

EQ2

XM1

EM2

XL6 XM2

Рисунок 5 – Схема замещения по РД 153-34.0-20.527-98

EM1

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 6 – Расчетные кривые изменения периодической составляющей тока КЗ для синхронных генераторов IEC 60909

γt 1.0

IП0(ном)= 2.0

0.9

3.0 4.0

0.8

5.0

0.7

6.0

0.6

6.5

0.1

0.2

0.3

0.4

Рисунок 7 – Типовые кривые изменения периодической составляющей тока КЗ от синхронных машин с тиристорной системой возбуждения 58

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

1. Выполненное тестирование основной проектной процедуры учебной САПР – расчета симметричных токов КЗ на типовой схеме из [3] подтвердило достоверность получаемых с ее помощью результатов (погрешность расчетов не превысила 5%). 2. В результате сопоставительного анализа методик выявлен основной источник расхождений в результатах расчета токов КЗ – место и величина ЭДС источников энергии.

Перечень ссылок

1. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. РД 153-34.0-20.527-98: учебное пособие. – Москва: ЭНАС, 2013. – 152 с. 2. IEC 60909 Short-circuit currents in three-phase systems – Part 0: Calculation of currents. – International standard, 2016. – 149 с. 3. IEC 60909 Part 4: Examples for the calculation of short-circuit currents. – International standard, 2000. – 131 с. 4. Павлюков В.А. Учебная САПР электрической части станций и подстанций [учебное пособие] / Павлюков В.А., Ткаченко С.Н., Коваленко А.В. – Харьков: ФЛП Панов А.Н., 2016. – 124 с.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 681.5.08

МОДЕЛИРОВАНИЕ И СЕНСОРНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЯ КИСТИ РУКИ В ПРОСТРАНСТВЕ

С.И. Сироноженко, П.И. Розкаряка, Д.Н. Мирошник ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье рассмотрен подход к разработке информационной перчатки, предназначенной для идентификации положения кисти руки в пространстве. Приведены разработанная конструкция перчатки, модель для визуализации, а также исследования, направленные на изучение возможности уменьшения количества датчиков, устанавливаемых на перчатке. Ключевые слова: информационная перчатка, положение, индентификация, регистрация, кисть руки, фаланга пальца, пространство, конструкция, визуализация, сгиб The article describes an approach to the development of an information glove designed to identify the position of the hand in space. The developed glove design, a model for visualization, as well as studies aimed at exploring the possibility of reducing the number of sensors installed on the glove are presented. Keywords: data glove, position, identification, registration, potentiometer, hand brush, falange of the finger, space, design, visualization, bend На сегодняшний день робототехника охватывает все больше сфер деятельности человека. Благодаря данной науке открываются новые возможности. В робототехнике можно выделить два направления: промышленную и сервисную. Первое направление отвечает за решение задач, связанных с автоматизацией производства. А второе находит применение в медицине, быту, науке и многим другим сферам. К образцам сервисной робототехники можно отнести: экзоскелеты и различные протезы конечностей. В целом указанные устройства предназначены для помощи человеку или для замены отдельных его функций. Вышеописанные устройства являются «исполнительными», но существуют также и «задающие» устройства. Одним из таких устройств является информационная перчатка (Data Glove) [1]. Данное устройство предназначено для регистрации жестов ладони и пальцев. Сфера применения информационной перчатки является очень широкой и затрагивает большое количество областей: область визуализации информации, робототехники, искусств и развлечений, языка жестов и медицины [2]. 60

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Целью данной работы является разработка информационной перчатки для сенсорной идентификации положения кисти руки в пространстве с максимально простой конструкцией и минимальной стоимостью. Для регистрации движений информационной перчатке требуются датчики. В качестве датчиков используются различные устройства, такие как тензорезисторы [3], инерциальные модули [4], пьезорезистивные датчики [5], потенциометры. В качестве датчика на данной перчатке был применен потенциометр, поскольку является простым и легкодоступным устройством, обладающим достаточной точностью для применения в перчатке. На каждом пальце размещается по три потенциометра для регистрации движения всех движущихся фаланг. Для размещения потенциометров на руке была разработана специальная конструкция в программном обеспечении Autodesk Fusion 360. Разработанная конструкция была изготовлена из ABS-пластика при помощи 3D печати и позволяла оценить угол между двумя соседними фалангами. Конструкция состоит из следующих частей и фрагментов (см. рис. 1): 1 - крепление для неподвижной фаланги, 2 - крепление для подвижной фаланги, 3 и 4 - соединительные части, 5 и 6 место для соединительных болтов, 7 - место крепления потенциометра. Также на рисунке схематически изображено местоположение фаланг пальца: 8 – фаланга, относительно которой измеряется угол, 9 – фаланга, угол которой измеряется. В ходе разработки перчатки прорабатывалось два способа установки разработанной конструкции на руку. Первый способ предусматривал закрепление конструкции на тканево-кожаной перчатке. Конструкция устанавливалась на перчатку (см. рис. 2) посредством приклеивания к ней. Достоинством данного способа является удобство в надевании конструкции на руку, а также в том, что элементы конструкции достаточно жестко закреплены на руке. Но данный способ имеет существенные недостатки, к которым можно отнести: невозможность совершать полные движения пальцами по причине большой жесткости перчатки в связке с конструкцией, нехватка места на перчатке для установки конструкции для мизинца. В связи с этим для рабочей версии информационной перчатки был выбран второй способ. Он заключается в том, что каждый элемент конструкции закрепляется по отдельности на руке при помощи тканевых резинок (см. рис. 3). При использовании данного способа движения не сковываются, т.е. существует возможность производить движения пальцами в полном диапазоне. Но при этом одевание информационной перчатки занимает определенное время, а элементы конструкции имеют опре61

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

деленный люфт, способствующий появлению дополнительных погрешностей. 5

7 6

2 9 1

Рисунок 1 – Внешний вид конструкции

Рисунок 2 – Первый вариант информационной перчатки Для сбора данных с датчиков и дальнейшей передачи их на компьютер используются микроконтроллер STM32F407VE. Передача данных на ПК осуществляется при помощи модуля UART (см. рис. 4).

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 3 – Второй вариант информационной перчатки 1-4 палец Потенциометр

Потенциометр

Потенциометр Микроконтроллер STM32F407VE

UART

ПК

Рисунок 4 – Функциональная схема перчатки Программа для данного микроконтроллера была разработана в математическом пакете Matlab и библиотеки Waijung. Программа для микроконтроллера реализует следующую функцию: сбор данных с аналоговых входов и их передача при помощи UART модуля на ПК. Была разработана программа для приема данных в режиме реального времени. С ее помощью данные принимаются компьютером, фильтруются и масштабируются, т.е. подготавливаются для дальнейшего использования. Выходным сигналом потенциометров является напряжение, а в информационной перчатке для оценки движений необходимо регистрировать углы. В программе приема данных было предусмотрено преобразование напряжения в угол. Оно осуществляется при помощи масштабирующего коэффициента. Последний определяется опытным путем: на руку надевается перчатка, затем производится максимально 63

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

возможный сгиб всех фаланг пальцев с регистрацией углов сгиба при помощи транспортира, и в завершении угол, измеренный при помощи транспортира, делится на соответствующее напряжение, полученное от потенциометра. Расчет масштабирующих коэффициентов был произведен для всех фаланг пальцев. Получаемые от потенциометров сигналы являются аналоговыми и подтверждены наводке шумов. Для получения более корректных данных необходимо применение фильтра. В рассматриваемом варианте использован фильтр «скользящего среднего». На рис. 5 представлены исходный и отфильтрованный сигналы. График показывает то, что фильтр позволяет получить с потенциометров более корректные данные. В ходе экспериментов было установлено, что при передаче данных со скоростью 115.2 Кбод и данном количестве потенциометров минимальный период дискретности составляет 0.004 с. Уменьшение периода дискретности приводит к потерям данных при передаче. Таким образом, при добавлении дополнительных датчиков потребуется или уменьшение скорости передачи или увеличение периода дискретности. Для визуализации движений руки и пальцев была создана механическая модель руки при помощи библиотеки Simscape Multibody. Модель состоит из четырех пальцев, каждый палец включает в себя четыре фаланги. На рис. 6 показан фрагмент модели руки, соответствующий безымянному пальцу. Модель состоит из четырех видов блоков. Оранжевым цветом выделены блоки, отвечающие за правильную работу модели, их присутствие в модели является обязательным, к ним относятся следующие блоки: Solver Configuration, который определяет параметры решателя, World Frame, инициализирующий точку отсчета системы и Mechanism Configuration, при помощи которого задается сила тяжести. Красным цветом выделены блоки Rigid Transform, благодаря которым осуществляется смещение и вращение фаланг путем изменения их координат. Зеленым цветом отмечены блоки Revolute Joint, использующиеся для изменения угла между фалангами. Синим цветом отмечены блоки Solid, отвечающие за тела, в данном случае непосредственно фаланги. В одном блоке фаланга представлена в качестве цилиндра и может использоваться для расчетов. А во втором блоке фаланга представлена в качестве кости, именно это представление и используется в 3D визуализации.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 25 исходный сигнал отфильтрованный сигнал

,град.

t,c

Рисунок 5 – Результаты фильтрации На рис. 7 представлена 3D визуализация четырех пальцев руки из ранее созданной модели. Три фаланги являются движимыми (проксимальная, средняя и дистальная), а четвертая фаланга на каждом пальце является недвижимой (пястная кость), именно эти фаланги и образуют основную часть кисти.

Рисунок 6 – Механическая модель пальца, созданная при помощи библиотеки Simscape Multibody, а также подсистема «Проксимальная фаланга» 65

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Подвижные фаланги

Неподвижные фаланги

Рисунок 7 – 3D визуализация 4 пальцев руки При работе над перчаткой была исследована зависимость между углами фаланг Θ2(Θ1) и Θ3(Θ1) (см. рис. 8). Для этого был проведен следующий эксперимент: осуществлена видеозапись сгиба и разгиба для каждого из пальцев, затем было произведено десять опытов (пять для сгиба и пять для разгиба) регистрации движений, выполняемых в соответствии с теми, которые были произведены на видеозаписи. Полученные данные с каждого опыта аппроксимировались, затем вычислялась средняя зависимость, и, в завершении, уже усредненная зависимость аппроксимировалась (см. рис. 9). Также на основании полученных зависимостей была выявлена возможность определения углов Θ2 и Θ3 (углы изгиба второй и третей фаланг) при известно угле Θ1. Были получены соответствующие графики, позволяющие осуществить сравнение зарегистрированных данных с перчатки и рассчитанных аналитически (см. рис. 10-11). Из графиков видно, что вычисленные значения отличаются от зарегистрированных. Это связанно с тем, что идеально точно повторить движения пальца невозможно. Кроме того, появляется определенная погрешность, связанная с люфтами в конструкции, а также погрешностью самого потенциометра, на показания которого влияют наводимые помехи. Все вышеперечисленное и создает общую суммарную погрешность.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Θ1

Θ2 Первая фаланга

Вторая фаланга

Θ3

Третья фаланга

Рисунок 8 – Фаланги пальца Формулы, при помощи которых был произведен расчет, представлены ниже. Для сгиба безымянного пальца:

θ2 = −537 ⋅ θ112 + 5110 ⋅ θ111 − 21194 ⋅ θ110 + 50178 ⋅ θ19 − 74516 ⋅ θ18 + +71687 ⋅ θ17 − 44426 ⋅ θ16 + 16959 ⋅ θ15 − 3569 ⋅ θ14 + 302 ⋅ θ13 + 7 ⋅ θ12 − θ1 ,

θ3 = 171 ⋅ θ112 − 1485 ⋅ θ111 + 5528 ⋅ θ110 − 11479 ⋅ θ19 + 14515 ⋅ θ18 − −11481 ⋅ θ17 + 5663 ⋅ θ16 − 1736 ⋅ θ15 + 352 ⋅ θ14 − 51 ⋅ θ13 + 5 ⋅ θ12 . Для разгиба безымянного пальца:

θ2 = −253 ⋅ θ112 + 2721 ⋅ θ111 − 12994 ⋅ θ110 + 36201 ⋅ θ19 − 64883 ⋅ θ18 + +77758 ⋅ θ17 − 62716 ⋅ θ16 + 33431 ⋅ θ15 − 11284 ⋅ θ14 + 2242 ⋅ θ13 − 231 ⋅ θ12 + 9 ⋅ θ1 ,

θ3 = −420 ⋅ θ112 + 3742 ⋅ θ111 − 14403 ⋅ θ110 + 31291 ⋅ θ19 − 42007 ⋅ θ18 + +35821 ⋅ θ17 − 19141 ⋅ θ16 + 6010 ⋅ θ15 − 909 ⋅ θ14 + 4 ⋅ θ13 + 14 ⋅ θ12 − θ1.

Величина погрешности в среднем составляет для Θ2 =0.267º и Θ3 =0.3842º. Данные расчеты были произведены для всех пальцев. Расчетные формулы представлены ниже.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

120 3

100

2 3

,град.

( ( ( (

1 1 1 1

) при сгибе ) при сгибе ) при разгибе ) при разгибе

-20 0

,град.

Рисунок 9 - Усреднённые зависимости Θ2(Θ1), Θ3(Θ1) при сгибе и разгибе безымянного пальца 120

100

,град.

измеренные значения углов рассчитаные значения углов

-20 0

t,c

Рисунок 10 – Сравнительный график рассчитанного и измеренного угла Θ2 при сгибе пальца 68

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

,град.

измеренные значения углов

рассчитаные значения углов

-10 0

t,c

Рисунок 11 – Сравнительный график рассчитанного и измеренного угла Θ3 при сгибе пальца Сгиб указательного пальца:

θ 2 = 1580 ⋅ θ112 − 14130 ⋅ θ111 + 54980 ⋅ θ110 − 121850 ⋅ θ19 + 169700 ⋅ θ18 − −154600 ⋅ θ17 + 93060 ⋅ θ16 − 36560 ⋅ θ15 + 9060 ⋅ θ14 − 1330 ⋅ θ13 + 100 ⋅ θ12 ,

θ3 = −308 ⋅ θ112 + 3568 ⋅ θ111 − 17659 ⋅ θ110 + 49302 ⋅ θ19 − 85903 ⋅ θ18 + +97319 ⋅ θ17 − 72287 ⋅ θ16 + 34587 ⋅ θ15 − 10174 ⋅ θ14 + 1683 ⋅ θ13 − 131 ⋅ θ12 + 3 ⋅ θ1.

Разгиб указательного пальца:

θ 2 = 3560 ⋅ θ112 − 34580 ⋅ θ111 + 147200 ⋅ θ110 − 360580 ⋅ θ19 + 560810 ⋅ θ18 − −576110 ⋅ θ17 + 393850 ⋅ θ16 − 175990 ⋅ θ15 + 49080 ⋅ θ14 − 7850 ⋅ θ13 + 630 ⋅ θ12 − 20 ⋅ θ1 ,

θ3 = −252 ⋅ θ112 + 2836 ⋅ θ111 − 14125 ⋅ θ110 + 41042 ⋅ θ19 − 77009 ⋅ θ18 + +97505 ⋅ θ17 − 84464 ⋅ θ16 + 49610 ⋅ θ15 − 19106 ⋅ θ14 + 4500 ⋅ θ13 − 567 ⋅ θ12 + 32 ⋅ θ1.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Сгиб среднего пальца:

θ2 = −990 ⋅ θ112 + 9470 ⋅ θ111 − 39630 ⋅ θ110 + 95280 ⋅ θ19 − 145240 ⋅ θ18 + +145990 ⋅ θ17 − 97400 ⋅ θ16 + 42250 ⋅ θ15 − 11270 ⋅ θ14 + 1640 ⋅ θ13 − 100 ⋅ θ12 + 10 ⋅ θ1 ,

θ3 =6 ⋅ θ112 + 60 ⋅ θ111 − 775 ⋅ θ110 + 3284 ⋅ θ19 − 7574 ⋅ θ18 + +10893 ⋅ θ17 − 10286 ⋅ θ16 + 6441 ⋅ θ15 − 2601 ⋅ θ14 + 620 ⋅ θ13 − 70 ⋅ θ12 + 3 ⋅ θ1.

Разгиб среднего пальца: −207 ⋅ θ112 + 2679 ⋅ θ111 − 14354 ⋅ θ110 + 42550 ⋅ θ19 − 77828 ⋅ θ18 + θ2 = +91986 ⋅ θ17 − 71134 ⋅ θ16 + 35527 ⋅ θ15 − 11017 ⋅ θ14 + 1968 ⋅ θ13 − 177 ⋅ θ12 + 6 ⋅ θ1 ,

θ3 = 870 ⋅ θ112 − 8020 ⋅ θ111 + 32320 ⋅ θ110 − 74640 ⋅ θ19 + 108940 ⋅ θ18 − −104600 ⋅ θ17 + 66680 ⋅ θ16 − 27840 ⋅ θ15 + 7320 ⋅ θ14 − 1130 ⋅ θ13 + 90 ⋅ θ12 .

Сгиб мизинца: −70 ⋅ θ112 + 545 ⋅ θ111 − 1871 ⋅ θ110 + 3801 ⋅ θ19 − 5238 ⋅ θ18 + θ2 = +5327 ⋅ θ17 − 4127 ⋅ θ16 + 2362 ⋅ θ15 − 914 ⋅ θ14 + 206 ⋅ θ13 − 19 ⋅ θ12 + 6 ⋅ θ1 ,

θ3 = 189 ⋅ θ112 − 2053 ⋅ θ111 + 9629 ⋅ θ110 − 25759 ⋅ θ19 + 43560 ⋅ θ18 − −48711 ⋅ θ17 + 36588 ⋅ θ16 − 18368 ⋅ θ15 + 6017 ⋅ θ14 − 1226 ⋅ θ13 + 141 ⋅ θ12 − 6 ⋅ θ1.

Разгиб мизинца:

θ 2 = 540 ⋅ θ112 − 5610 ⋅ θ111 + 25530 ⋅ θ110 − 66950 ⋅ θ19 + 111680 ⋅ θ18 − −123240 ⋅ θ17 + 90590 ⋅ θ16 − 4354 ⋅ θ15 + 13040 ⋅ θ14 − 2230 ⋅ θ13 + 190 ⋅ θ12 − θ1 ,

θ3 = 643 ⋅ θ112 − 6080 ⋅ θ111 + 25101 ⋅ θ110 − 59265 ⋅ θ19 + 88007 ⋅ θ18 − −85046 ⋅ θ17 + 53342 ⋅ θ16 − 20894 ⋅ θ15 + 4651 ⋅ θ14 − 472 ⋅ θ13 + 13 ⋅ θ12 .

Также был произведен эксперимент по определению зависимостей между углами фаланг на большом пальце. Отличие от предыдущих опытов заключалось в том, что для регистрации углов использовались модули MPU 6050 вместо потенциометров, что позволило добиться большей точности вычислений. Расчетные формулы представлены ниже: Сгиб большого пальца:

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

θ 2 = θ17 − 0.0001 ⋅ θ16 + 0.0087 ⋅ θ15 − 0.0364 ⋅ θ14 + 0.0372 ⋅ θ13 + +0.2973 ⋅ θ12 − 1.1151 ⋅ θ1 − 1.2688,

θ3 = −0.0004 ⋅ θ16 + 0.0014 ⋅ θ15 − 0.0037 ⋅ θ14 + 0.726 ⋅ θ13 − −0.3141 ⋅ θ12 − 1.3503 ⋅ θ1 + 0.9143.

Разгиб большого пальца:

θ2 = −0.001 ⋅ θ16 + 0.0279 ⋅ θ15 − 0.3975 ⋅ θ14 + 3.2758 ⋅ θ13 − −15.3372 ⋅ θ12 + 36.9074 ⋅ θ1 − 40.9231,

θ3 = −0.0016 ⋅ θ17 + 0.031 ⋅ θ16 − 0.3941 ⋅ θ15 + 3.254 ⋅ θ14 − 16.353 ⋅ θ13 + +43.4892 ⋅ θ12 − 40.2729 ⋅ θ1 − 24.8067.

Все произведенные исследования позволяют сделать вывод, что при определенном виде движения, например сгибе или разгибе, можно упростить конструкцию до четырех потенциометров, т.е., зная угол первой фаланги, вычислять углы второй и третьей фаланг. На рис. 12 представлена упрощённая конструкция.

Рисунок 12 – Упрощенная конструкция

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

В статье показана разработка прототипа информационной перчатки на базе микроконтроллера STM32F407VE, использующей в качестве датчиков потенциометры. Созданы модель для визуализации регистрируемых движений и необходимая программная часть. Проведены исследования по установке зависимостей между углами фаланг и определению необходимых углов. Результаты исследований свидетельствуют о возможности регистрации движений сгиба и разгиба пальцев только при помощи одного датчика, установленного на первой фаланге. Ведутся работы над усовершенствованием конструкции перчатки и поиск решения по регистрации движения всей кисти руки.

Перечень ссылок

1. The free dictionary [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://encyclopedia2.thefreedictionary.com/data+glove 2. Laura Dipietro, Angelo M. Sabatini, Senior Member, Paolo Dario, Fellow: Survey of Glove-Based Systems and Their Applications// IEEE Transactions on systems, Man, and cybernetics-part C: applications and reviews. 2008.Vol. 38. No. 4.P.461-482. 3. Shuran Yin, Jun Yang, Yukun Qu, Wenjun Liu, Yunfei Guo, Hongtao Liu, Dapeng Wei: Research on Gesture Recognition Technology of Data Glove Based on Joint Algorithm// Advances in Engineering Research. 2018.P.13-22. 4. Felipe Antunes Quirino, Marcelo Romanssini, Mathias Baldissera, Alessandro Girardi: System Implementation of a Gesture Detection Glove for Human-Computer Interaction// Computer Architecture and Microelectronics Group - Federal University of Pampa Alegrete.2018. 5. Surjeet Kumar, M Junaid Sultan, Anayat Ullah, Syed Zameer, Saqib Siddiqui, Syed Kamran Sami: Human Machine Interface Glove Using Piezoresistive Textile Based Sensors// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.2018.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.315.1

АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКОГО МЕХАНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПРОВОДА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

А.А. Булгаков, А.С. Борисов ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Рассматривается систематический механический расчет воздушных линий электропередачи 35-750 кВ. Предложено автоматизировать расчет при помощи современных программ инженерных расчетов. Представлены алгоритм и результаты расчета для провода марки АС в виде механических напряжений в проводе и стрел провеса провода для различных расчетных режимов и длин пролетов. Ключевые слова: Воздушная линия электропередачи, механический расчет, провод, стрела провеса A systematic mechanical calculation of overhead transmission lines of 35-750 kV is considered. It is proposed to automate the calculation using modern engineering calculation programs. Algorithm and calculation results for wire AS are presented for various design modes and spans. Keywords: Overhead transmission lines, mechanical calculation, wire, sag Постановка задачи. Развитие электроэнергетической системы региона естественным образом обуславливает сооружение новых и реконструкцию существующих воздушных линий электропередачи. Проектные и исследовательские работы для сооружения воздушных линий (ВЛ) электропередачи выполняются проектными организациями. Этап проектирования включает в себя выполнение систематического механического расчета провода [1], что является основой расчета надежности конструкций [2]. Расчет должен выполняться в соответствии с рекомендациями из нормативных документов [3-4]. Таким образом, с одной стороны выполнение систематического механического расчета провода является востребованной задачей, а с другой стороны автоматизация его выполнения с помощью современных программ инженерных расчетов может существенно увеличить скорость и производительность работы проектировщика. Уравнение состояния провода. Механический расчет проводов, тросов выполняют с целью определения значений механических

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

напряжений и стрел провеса в нормальных и аварийных режимах и во время монтажа. Исходными данными являются характеристики провода, высота опор и климатические характеристики местности, где проектируется ВЛ. Состояние механического напряжения в проводе или тросе во время изменяющихся атмосферных условий, определяют из уравнения:

γ o2 ⋅  2 γ 2 ⋅ 2 α σ− σ = − − ⋅ ( t − to ) , o 24 ⋅ β ⋅ σ 2 24 ⋅ β ⋅ σ o2 β

(1)

где σ, γ, t – напряжение, МПа, удельная нагрузка, МПа/м и температура, оС в конечном состоянии (искомые); σо, γо, tо – напряжение, МПа, удельная нагрузка, МПа/м и температура, оС в исходном состоянии;  − длина пролета, м; α − температурный коэффициент линейного расширения, град-1; β − коэффициент упругого расширения, МПа-1. β =1 E,

(2)

где Е – модуль упругости, МПа. Программное обеспечение. На сегодня для решения задач и выполнения практических инженерных расчетов хорошо себя зарекомендовали математические программы. Одной из наиболее известных и широко распространенных программ инженерных расчетов является Mathcad [5], из свободного программного обеспечения можно отметить SMath Studio [6]. Эти программы позволяются автоматизировать выполнения расчетов, наглядно представить результаты в виде, удобном для последующего сопоставления и анализа. Алгоритм и автоматизация расчета. Рассмотрим последовательность выполняемого расчета. Вначале задаются исходные данные: районы по ветру, по гололеду, тип местности, температуры, механические характеристики провода, габаритные данные опоры. Эта часть алгоритма реализуется блоками №1-6 (в статье не приведена для кратности). Блоками №7, 9, 11 (рис. 1) выполняется выбор коэффициентов для расчетов соответствующих формул. Они указаны в разделе 2.5 из [4], но часть из них следует определять путем линейной интерполяции. После определения коэффициентов выполняются расчеты линейных нагрузок. Блок №8 выполняет расчет линейной эксплуатационной нагрузки от веса гололеда Gmp, Н/м; блок №10 выполняет расчет линейной эксплуатационной нагрузки Pm, Н/м от действия максимального ветрового давления; блок №12 выполняет расчет линейной экс74

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

плуатационной нагрузки от действия ветра на провод (трос) с гололедом Qm, Н/м. Следующим этапом является расчет удельных нагрузок на провода (тросы) в блоке №13. Прежде чем выполнять расчеты критических пролетов, следует определить максимальную удельную нагрузку на провода (тросы) и определить коэффициент упругого расширения β. Эти действия выполняются в блоке №14. Выбор напряжения, нагрузки и температуры исходного режима осуществляют путем сравнения действительного расчетного пролета ВЛ с критическими пролетами  k , расчет которых выполняется в блоке №15 (рис.2). Ввод массива анализируемых длин пролетов предусмотрен блоком №16. Расчет начальных условий σо, γо, tо выполняется для каждого из введенных пролетов с помощью функции, которая делает последовательную проверку соотношений критических пролетов и расчетных. Блок №18 реализует механический расчет. Уравнение состояния провода является кубическим. Для его решения можно применять формулы Кардано, или, например, использовать известные численные методы. В данном случае использован первый вариант. В результате формируется матрица, в которую записывает рассчитанные напряжения для разных длин пролетов и расчетных режимов, которые приведены в табл.1. Таблица 1 – Расчетные режимы для расчета ВЛ №

Температура воздуха, ОС −5

Название режима

1 Гололед с ветром

Ветер Гололед +

2 Гололедный режим

−5

3 Ветровой режим

−5

4 Эксплуатационный режим Режим минимальной 5 температуры Режим максимальной 6 температуры Режим среднегодовой 7 температуры Режим расчетов пересечения 8 ВЛ с железной дорогой

+15

tmin

tmax

tсг

+70

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

7 Определение коэфф.:

γ fG , k1 , μ1

g тр = g р ⋅ γ fG G тр = g тр ⋅ k1 ⋅ μ1 9 Определение коэфф.: 10

γ fmax , C h , g tu , α , k L , Caer

Wот = Wo ⋅ γ fmax C dc = g tu ⋅ α ⋅ k L

Pт = Wот ⋅ С С ⋅ С aer ⋅ C dc ⋅ d ⋅ sin 2ϕ ⋅ 10−3 11 Определение коэфф.: 12

Q 0 , γ fQ , μ g , k g k L

Q от = Q 0 ⋅ γ fQ

Q т = Q от ⋅ μ g ⋅ k g ⋅ C C ⋅ k L ⋅ sin 2ϕ 13 P ⋅ 0,981 ⋅ 10 −2 γ1 = S G тр γ2 = S γ 3 = γ1 + γ 2

Pт S Qт γ5 = S γ4 =

γ6 = γ7 =

γ12 + γ 24

(γ1 + 0,9 ⋅ γ 2 ) 2 + γ 52

1 E = max( γ 3 , γ 7 ) β =

γ нб ож

Рисунок 1 – Фрагмент алгоритма выполнения систематического механического провода 76

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

 1k =

2 ⋅ σ cp γ1

⋅

 2k =

 3k =

6 ⋅ [β ⋅ (σ cp − σ нб ) + α ⋅ (t cp − t − )]  σ cp 1 −   σ нб

  

2 ⋅ σ нб 6 ⋅ α ⋅ (−5 − t − ) ⋅ 2 γ1  γ ож  нб   − 1  γ1 

6 ⋅ [β ⋅ (σ нб − σ ср ) + α ⋅ (−5 − t ср )] 2 ⋅ σ нб ⋅ 2 2 γ1  σ нб   γ ож  нб    −  σ  γ 1 ср    

16 Ввод пролетов, для расчета стрел провеса 17 Определение начальных условий для решения уравнения состояния для каждого пролета

σ0 , γ0 , t 0

18 Решения уравнения состояния для каждого пролета 19 Вывод σ и f 20 Конец

Рисунок 2 – Фрагмент алгоритма выполнения систематического механического расчета провода Пример представления результатов расчета для провода АС 150/24 показан на рис. 3. По завершению расчета результаты записываются в файл. 77

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 3 – Результаты систематического механического расчета (механические напряжения и стрелы провеса провода) Выводы Выполненная автоматизация систематического механического расчета воздушных линий электропередачи позволяет существенно ускорить выполнение расчетов при разработке проектов воздушных линий электропередачи. Перечень ссылок

1. Крюков К.П., Новгородцев Б.П. Конструкции и механический расчет линий электропередачи. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергия, ленигр. Отд-ние, 1979. – 312 с. 2. Петров В.С. Механический расчет проводов и тросов воздушных линий как основа расчета надежности конструкций / В.С. Петров, Т.И. Дубровская // Интернет-журнал Науковедение, М. "Науковедение" №7, 2015 г. 3. Рекомендации по технологическому проектированию воздушных линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше. − М: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. − 40 с. 4. Правила устройства электроустановок. – Офиц.изд. – Х.: Изд-во «Форт», 2014. – 704с. 5. PTC Mathcad | Mathcad. Электронный ресурс. Режим доступа url: https://www.mathcad.com/ru Дата обращения: 04.04.2020. 6. SMath Studio. Электронный ресурс. Режим доступа url: https://ru.smath.com Дата обращения: 04.04.2020.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 681.3.06

РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ЛИНЕЙНОЙ ПОДСИСТЕМЕ УЧЕБНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ САПР СОВРЕМЕННЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 35-330 КВ В.Я. Горин, Е.В. Куть, М.А. Минаев ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

Рассматриваются результаты разработок по дальнейшему развитию структуры и расширению функциональных возможностей учебно-исследовательского варианта системы автоматизированного проектирования кабельных линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения. В структуре действующей УИ САПР КЛ создан программный модуль с функциями проверки проектируемого кабеля на невозгорание. Ключевые слова: САПР, учебно-исследовательский вариант, проектирование кабельных линий электропередачи, программный модуль, проверка проектируемого кабеля, невозгорание кабеля The results of developments are examined on further development of structure and expansion of functional possibilities of educational-research version of computer-aided of cable power lines high and ultrahigh voltage. In the structure of operating ЕR CADD of CL is created programmatic module with the functions of verification of the designed cable on unignition. Keywords: CAD, educational-research version , planning of cables power lines, programmatic module, verification of the designed cable, unignition of cable Как показал опыт использования в учебном процессе, систему автоматизированного проектирования кабельных линий высокого и сверхвысокого напряжения (САПР КЛ ВН и СВН), созданную на кафедре электрических систем ДонНТУ в учебно-исследовательском (УИ) варианте, следует считать достаточно удобным и эффективным средством при проектировании современных кабельных ЛЭП. Разработанное программное обеспечение первой очереди УИ САПР КЛ ВН и СВН для проектных расчетов конструктивных элементов и электриче-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ских параметров кабеля [1] позволяет качественно и эффективно выполнять необходимые проектные компьютерные расчеты в линейной подсистеме УИ САПР КЛ ВН и СВН. САПР КЛ ВН и СВН

Техническая система

Линейная подсистема

Модуль расчета конструктивных элементов кабеля

Модуль расчета токопроводящей жилы Модуль расчета изоляции и зависимости напряженности электрического поля в изоляции от радиуса Модуль расчета защитных покрытий Модуль расчета массы кабеля

Документальная система

Строительно-монтажная подсистема

Д1. Сертификат качества кабеля Д2. Акт разбивки кабеля

Электрический расчет

Тепловой расчет

Модуль выбора трассы

Д3. Акты приемки траншей, каналов под прокладку КЛ

Модуль расчета сопротивления токопроводящей жилы постоянного и переменного тока

Модуль расчета тепловых сопротивлений конструктивных элементов и окружающей среды

Модуль рытья траншей

Д4. Акты на монтаж кабельных муфт

Модуль укладки кабелей

Д5. Акты осмотра кабелей

Модуль расчета диэлектрических потерь в изоляции, сопротивления изоляции,эл. емкости кабеля, индуктивности жилы при замкнутых оболочках на землю Модуль расчета потерь полезной энергии в металлических оболочках кабеля

Модуль расчета допустимого тока нагрузки, переданной мощности

Модуль расчета распределения температуры в кабеле Модуль расчета теплоемкости конструктивных элементов, постоянной времени нагрева

Модуль установки соединительных муфт Модуль закрытия траншей

Д6. Журнал прокладки кабелей Д7. Акт проверки и опробования автоматических установок систем пожарной сигнализации Д8. Вычерчивание трассы КЛ Д9. Вычерчивание профиля трассы КЛ в Модуль местах пересечений с выбора трассы дорогами и прочими коммуникациями

Модуль расчета зависимости тока перегрузки от времени перегрузки Модуль расчета зависимости тока КЗ от времени срабатывания защиты Модуль проверки кабеля на невозгорание

Рисунок 1 – Функциональная схема УИ САПР КЛ Объем и порядок этих расчетов наглядно отражаются [1] в соответствующей структурной схеме, которой присваивается условный индекс базовой версии 01.КЛ. Однако разработанное в рамках второй очереди программное обеспечение позволяет выполнять необходимые

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

тепловые расчеты проектируемого кабеля в линейной подсистеме [2], но требует дальнейшего уточнения с учетом имеющихся наработок (см. в [2] структурную схему версии 02.КЛ) и создания компьютерной программы (версия 03.КЛ) для законченного теплового расчета проектируемого кабеля. Целью настоящей работы является расширение теплового расчета путем разработки третьей очереди программного обеспечения для модуля проверки кабеля на невозгорание при воздействии тока КЗ. Проверка проектируемого кабеля на невозгорание заключается в определении температуры нагрева жил кабеля током КЗ и расчет токов КЗ и тепловых импульсов от токов КЗ. Полученные данные сопоставляются с максимально допустимыми значениями согласно техническим характеристикам исследуемого кабеля. В качестве объекта для контрольного проектного расчета выбран силовой кабель на напряжение 110 кВ с медной токопроводящей жилой сечением 350 мм2, изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), продольной герметизацией экрана и наружной оболочкой из полиэтилена — марки ПвЭгП. Сшитый полиэтилен обладает рядом преимуществ перед термопластическим аналогом. Кабели с изоляцией из СПЭ имеют большую пропускную способность за счет более высокой допустимой длительной температуры и большей термической устойчивости при КЗ, низкие диэлектрические потери и высокую стойкость к механическим повреждениям. Также кабели с изоляцией из СПЭ подвержены меньшему термическому старению, что удлиняет срок их эксплуатации. Блок-схема алгоритма компьютерной программы расчета кабеля на невозгорание при воздействии тока КЗ приведена на рис. 2. Пользователь вводит исходные данные: сечение жилы, температуру окружающей среды и значение тока перед КЗ. По формулам (2) ÷ (5) рассчитываются тепловой импульс от тока КЗ, значения начальной температуры жилы до КЗ и температуры после КЗ. Результат расчета автоматически проверяется на соответствие допустимым значениям для кабеля с изоляцией из СПЭ. Разработанная УИ САПР КЛ ВН и СВН выглядит как web-страница – для выполнения расчетов достаточно перейти по соответствующей ссылке. В качестве языка программирования используется язык РНР (Hypertext Preprocessor - Препроцессор Гипертекста). Выводы

Учебно-исследовательскую САПР КЛ ВН и СВН, для которой разработана третья очередь программного обеспечения линейной подсистемы, можно считать достаточно удобным и эффективным средством для решения проектных задач, связанных с проверкой кабеля на невозгорание при воздействии тока КЗ.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ Начало Введите исходные данные: 1. Сечение жилы, (S) 2. Температура окружающей среды, 3. Значение тока перед КЗ, А ( )

(

)

2 3 4 5

Да

Нет

Кабель пригоден к эксплуатации

Кабель не пригоден к эксплуатации

Конец

Рисунок 2 – Блок-схема алгоритма компьютерной программы проверки кабеля на невозгорание Перечень ссылок

1. Горін В.Я. Розробка програмного забезпечення лінійної підсистеми навчально-дослідницької системи автоматизованого проектування кабельних ЛЕП високої та надвисокої напруги / Т.В. Широкорядова // Наук. праці ДонНТУ, серія «Електротехніка і енергетика», вип. 1(16). - Донецьк: ДонНТУ, 2014. – С. 45-50. 2. Горин В.Я. Использование САПР для решения учебно-исследовательских задач при проектировании современных кабельных линий высокого и сверхвысокого напряжения / Е.В. Куть, Д.С. Христенко // САПР и моделирование в современной электронике [Текст] + [Электронный ресурс]: cб. науч. тр. I Международной научно-практической конференции / под ред. Л.А. Потапова, А.Ю. Дракина.Брянск, БГТУ, 2017. – С. 49-53. 3. Циркуляр «О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания». – Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС РОССИИ» № Ц-02-98 (Э) от 16.03.98.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ОЦЕНКА ПЛАТЫ ЗА ПЕРЕТОКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУТОЧНЫХ ГРАФИКОВ НАГРУЗКИ С.А. Гришанов, А.Г. Латашенко ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье выполнен анализ применимости существующей методики вычисления платы за перетоки реактивной электроэнергии с использованием суточных графиков нагрузки. Выполнено моделирование установившихся режимов электрической сети за сутки. Рассчитаны суточные значения экономических эквивалентов реактивной мощности и значение платы за потребление реактива потребителем. Проанализированы полученные результаты. Ключевые слова: методика вычисления платы за перетоки реактивной электроэнергии, суточные графики нагрузки, моделирование, установившийся режим. An analysis of the existing technique applicability for calculating the charge for the flow of reactive electricity using daily load schedules is performed in the article. Modeling of steady-state modes of the electric network per day is performed. The daily values of the reactive power economic equivalents and the values of the charge for the consumption of the reactive power by the consumer are calculated in the work. Analyzed the results. Keywords: technique for calculating the charge for the flow of reactive electricity, daily load schedules, modeling, steady-state modes. Постановка проблемы. В условиях дефицита энергоресурсов и роста стоимости электроэнергии, актуальна проблема энергосберегающих технологий транспортировки и потребления электроэнергии [1-3]. Эффективное использование электроэнергии при работе отдельных промышленных систем и технологических установок приводит к экономии электроэнергии на предприятиях. Как известно, основными потребителями электроэнергии на промышленных предприятиях являются асинхронные электродвигатели и трансформаторы [4]. Их работа связана с потреблением реактивной энергии для создания электромагнитных полей. Реактивная энергия не производит полезной работы, а циркулируя между приемником и источником тока и приводит к

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

дополнительной загрузке линий электропередачи и др. оборудования, а следовательно, и снижает коэффициент мощности во всей сети. По величине коэффициента мощности можно судить о том, какая часть потребляемой электроэнергии полезно используется для совершения работы [4-5]. Как известно, передача и потребление реактивной мощности так же сопровождается потерями активной мощности. Эффективность потребления электрической энергии для современных промышленных предприятий определяется своевременным обеспечением техпроцесса, требуемого объёма электроэнергии заданного качества при минимальных потерях, а также при условии сохранения устойчивой работы электроприемников. На сегодняшний день из всех возможных мероприятий связанных с повышений эффективности функционирования электрических систем наибольшее снижение потерь мощности осуществляется при регулировании напряжения и компенсации реактивной мощности (КРМ) [4-5]. Установка компенсирующих устройств (КУ) позволяет снизить активные потери за счет снижения полного тока в элементах сети. Известно, что основным инструментом для стимулирования внедрения установок КРМ в электрические сети потребителей является плата за потребленную реактивную энергию, которая определяется по «Методике вычисления платы за переток реактивной электроэнергии между электропередаточной организацией и ее потребителями» [6]. Эту плату определяют потерями активной энергии на передачу реактивной мощности сетями энергоснабжающей организации к потребителю. При этом электрические сети обычно представляют эквивалентным источником реактивной мощности, который характеризуется экономическим эквивалентом реактивной мощности (ЭЭРМ). С появлением и развитием в электроэнергетике информационных технологий и вычислительной техники появилась задача совершенствования существующей методики. В ряде работ [7] приводятся различные решения позволяющие улучшить данную методику, в большей степени они направлены на ее упрощение. Целью данной работы является почасовое определение ЭЭРМ по реальному графику и уточнение расчетов платы за перетоки реактивной мощности с использованием суточных графиков нагрузок. Основной материал исследования. В качестве объекта исследования выступает электрическая сеть на 110 кВ (рис.1). Нагрузка потребителей представлена в виде временных графиков активной и реактивной мощностей за режимные сутки.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 1 – Схема исследуемой электрической сети Суточные графики нагрузок для узлов «П», «Ю» и «В» приведены на рис. 2-4.

Рисунок 2 – Суточный график активной и реактивной нагрузки узла «П»

Рисунок 3 – Суточный график активной и реактивной нагрузки узла «Ю» 85

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 4– Суточный график активной и реактивной нагрузки узла «В» Расчет и анализ ЭЭРМ будем проводить именно для этих узлов нагрузки, т.к. они наиболее характерны для реальных предприятий. В дальнейшем в целях упрощения будем использовать в расчетах не

Q коэффициент мощности, а tgφi = i P . Зависимости изменения tgφi в i течение суток для рассмотренных узлов нагрузки приведены на рис.5.

Рисунок 5 – Характер изменения tgφi для узлов «П», «Ю» и «В» Проанализируем суточные графики нагрузок узлов, имеющихся в данной сети. Для узла «П» характерно ступенчатое (посменное) изменение нагрузки в течение суток. КУ для этого узла будут иметь только режим генерации реактива, но т.к. tgφi имеет значительнопеременный характер, то эти КУ должны быть управляемыми. Для узла «Ю» характерно резкое (скачкообразное) изменение нагрузки в течение суток. В качестве КУ для этого узла лучше использовать установки типа СТК. Судя по суточному режиму КУ будут как 86

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

генерировать, так и потреблять реактив из сети. Для узла «В» характерно незначительное изменение нагрузки в течение суток. КУ для этого узла будут иметь только режим генерации реактива, но т.к. tgφi имеет почти неизменный характер, то эти КУ могут быть неуправляемыми. Как известно из [6] ЭЭРМ рассчитывается согласно метода численного дифференцирования по выражению: Di = (∆PΣ1 − ∆PΣ2 ) / ∆Qi = δ PΣ / δ Qi

где ∆PΣ1 , ∆PΣ2 - суммарные потери активной мощности в расчетной схеме для двух сопредельных режимов, с реактивной нагрузкой соответственно Qі и Qі +ΔQі, кВт; δ PΣ / δ Qi - частная производная суммарных потерь активной мощности по реактивной мощности і-го узла, кВт/; ∆Qi - малый шаг численного дифференцирования, кВ⋅Ар. Выполним расчет установившегося режима за сутки (24 часа) для определения ЭЭРМ как непосредственно по методике [6], используя только режим наибольших нагрузок, так и для каждого часа в отдельности, при незначительном изменении реактива для каждого из рассматриваемых узлов. Полученные результаты расчета ЭЭРМ в сутках для трех рассматриваемых узлов приведены на рис. 6.

Рисунок 6 – Характер изменения значения ЭЭРМ за сутки Из рис.6 четко прослеживается связь ЭЭРМ в каждый момент времени суток от текущих нагрузок для всего района сети, а не от нагрузок отдельного потребителя, к примеру, для узла «В» tgφi

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

изменяется слабо, а ЭЭРМ значительно. Как известно на величину ЭЭРМ влияет удаленность потребителя от источника питания. По схеме рис.1 узел «Ю» является наиболее удаленным от источника, поэтому для этого потребителя ЭЭРМ имеет наибольшее значение в режиме максимальных нагрузок. Расчет платы за потребленную реактивную электроэнергию выполним без учета работы КУ в узлах нагрузки. Расчет основной платы за потребленную реактивную энергию потребителем и надбавку за недостаточное оснащение электрической сети того же потребителя средствами компенсации реактивной мощности выполним согласно методике [6], но используя полученные за каждый час значения ЭЭРМ. Полученные результаты показаны на рис.7-9.

Рисунок 7 – Характер изменения значений платы П1 за сутки

Рисунок 8 – Характер изменения значений надбавки П2 за сутки

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 9 – Характер изменения значений полной платы П за сутки Из рис.7 видно, что характер изменения платы П1 зависит от ЭЭРМ для данного узла. Значение надбавки П2 (см. рис.8) определяется величиной tgφi , что наглядно видно для узла «Ю». Значение полной платы в каждый момент времени в течение суток зависит от текущего режима и от значения tgφi . Для узла «Ю» в утренние часы (9-12 ч.) на величину полной платы в большей степени влияет надбавка П2, потому что в это время требуется максимальная компенсация реактива. В тоже время согласно методике [6] расчет платы П1, П2 и П выполняется разово по суммарному суточному потреблению активной и реактивной электроэнергии и значению ЭЭРМ полученному в основном в часы наибольших нагрузок в системе. Выполним эти расчеты для трех рассмотренных узлов нагрузки и сопоставим с итоговым суточным значением платы, полученным ранее по графикам нагрузки. Значение П1 для узла «П» за сутки составит 6251,87 руб., для узла «Ю» - 3710,28 руб., а для узла «В» соответственно 15371,89 руб. Значение надбавки П2 будет иметь такие значения: для узла «П» 250,72 руб., для узла «Ю» - 1323,16 руб., для узла «В» - 443,90 руб. Делаем вывод, что суточная надбавка П2 тем больше для потребителя, чем больше для него tgφi . Результаты оценки погрешности в расчетах платы за перетоки по имеющейся методике и по предлагаемой схеме расчета с обязательным учетом изменения режима в течение суток для рассмотренных узлов приведем в табл. 1. Из табл. 1 видно, что погрешность расчета платы П1, П2 и П за сутки значительно (примерно 20-25%) отличается от значений полученных по методике с использованием только выделенного режима максимальных нагрузок.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 1 – Расчет платы и оценка погрешности Плата П1, руб. П2, руб. П, руб. П1, руб. П2, руб. П, руб. П1, руб. П2, руб. П, руб.

Расчет по Расчет по методике суткам ПС «П» 7750,98 6251,87 245,99 250,72 7996,97 6502,60 ПС «Ю» 4632,49 3710,28 426,08 1323,16 5058,57 5033,43 ПС «В» 18833,48 15371,89 540,82 443,90 19374,31 15815,80

δ, % 24,0 1,9 23,0 24,9 67,8 0,5 22,5 21,8 22,5

Выводы

Как отмечалось ранее, использование только данных максимального режима в расчете ЭЭРМ и платы за перетоки приводит к значительным погрешностям и завышению значения платы за реально потребленную реактивную электроэнергию потребителем. В тоже время для узла «Ю» погрешность меньше, но это обусловлено большей в реальности составляющей П2. Для более точного расчета платы по методике необходим правильный выбор режима, по которому рассчитывается ЭЭРМ для конкретного узла.

Перечень ссылок

1. Проект энергостратегии Российской Федерации на период до 2035 года [Электронный ресурс] Режим доступа: https://minenergo.gov.ru/node/1920. 2. Нова енергетична стратегії України до 2035 року: "Безпека, енергоефективність, конкурентоспроможність". [Электронный ресурс] Режим доступа:

http://mpe.kmu.gov.ua/minugol/doccatalog/document?id=245213112.

3. Основные задачи формирования баланса реактивной мощности в ЕЭС России // - Электрические станции. 2007. № 3. - С. 65–73. 4. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электрической энергии: руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко М.: ЭНАС, 2009. - 456 с. 5. Лыкин А.В. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электрических сетях: учеб. пособие / А.В. Лыкин – Новосибирск: Изд-во НПУ,2013. - 115 с. 6. Методика обчислення плати за перетікання реактивної електроенергії між електропередавальною організацією та її споживачами. Затверджена наказом Міністерства палива та енергетики України №19 від 17.01.2002/ Офіційний вісник України. – 2002. – № 48. – С. 71–147. 7. Железко Ю. С. Новые нормативные документы, определяющие взаимоотношения сетевых организаций и покупателей электроэнергии в части условий потребления реактивной мощности / Ю. С. Железко // Новини енергетики. – 2008. – № 8. – С. 45 – 49.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.3(075)

КОМПЕТЕНТНОСТНЫЙ ПОДХОД КАК МОДЕРНИЗАЦИЯ ОБУЧЕНИЯ КУРСА ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ И.В. Сельская, В.П. Сельский ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры»

Сущность модернизации обучения трактуется как освоение механизмов развития, а цель управления данной отраслью рассматривается как создание системы постоянного обновления обучения. Важнейшим направлением модернизации обучения курса электробезопасность следует указать реализацию компетентностного подхода к обучению. Ключевые слова: электробезопасность; модернизация обучения; интерактивные и мультимедийные технологии; компетентность The essence of modernization of training is interpreted as the development mechanisms development, and the goal of managing this industry is seen as the creation of a system of continuous updating of training. The most important area of modernization of the training course in electrical safety should indicate the implementation of the competency-based approach to training. Keywords: electrical safety; modernization of training; interactive and multimedia technologies; competence Современные условия, актуализировавшие модернизацию высшего профессионального образования, изменили модели образования в целом и подходы к организации практики преподавания в частности. В совокупности современных понятий, определяющих состояние системы обучения образования, одно из главных мест занимает понятие «модернизация». Проблема модернизации системы образования сложна, многоаспектна и противоречива и разрешается путем не только административных воздействий, распоряжений и мер, но и требует «расширения и усиления роли общественности и ученых-лидеров, достаточного финансирования, создания инновационной образовательной среды, внедрения форм открытого образования..., пересмотра содержания, новых методик обучения, контроля и самоконтроля...» [1,2]. Согласно последним нормативным документам Министерства образования и науки ДНР программа дисциплин, преподаваемых в

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

академии, должна быть согласована с новыми нормативными стандартами, учитывать последние достижения в науке и технике, учитывать потребности технических специальностей строительного профиля и использовать компетентностные подходы для системы организации учебного процесса [3]. Современный подход к образовательному процессу, ориентированного на знания и практическое применение знаний дал толчок к поиску соответствующих образовательных технологий и форм преподавания. Поэтому данная работа является в настоящее время актуальной, так как модернизация обучения с учетом новых нормативных стандартов, с использованием компетентностных подходов и с применением интерактивных и мультимедийных технологий требуют детального и серьезного подхода. Использование средств наглядности при реализации современных педагогических технологий позволяет повысить уровень обучения: значительно увеличивается наглядность курса, при этом решается вопрос с созданием, дополнением, расширением материальной базы наглядности [4,5]. Учитывая сложности приобретения нового демонстрационного и лабораторного оборудования и морально устаревшее существующее оборудование, с целью привлечения студентов к освоению новых технологий и механизмов обучения, возникает необходимость в разработке и внедрение в учебный процесс новых интерактивных и мультимедийных направлений обучения, таких как электронный конспект лекций, мультимедийные лабораторные работы, мультимедийные демонстрации [4,5]. Важнейшим направлением модернизации системы образования следует указать реализацию компетентностного подхода к обучению, направленного на формирование профессиональной компетентности, под которой понимается интегральная характеристика, определяющая способность специалиста решать профессиональные проблемы и типичные профессиональные задачи, возникающие в реальных ситуациях профессиональной деятельности, с использованием знаний, профессионального и жизненного опыта, ценностей и наклонностей. «Способность» в данном случае понимается не как «предрасположенность», а как «умение». Профессиональная компетентность есть совокупность ключевых, базовых и специальных компетентностей [4,6]. Целью изучения раздела по электробезопасности является изучение опасностей, связанных с электрическим током, анализ этих опасностей, для последующего использования методов и средств защиты от поражения электрическим током в электроустановках.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Компетентностный подход к обучению, направленный на формирование профессиональной компетентности по изучению раздела электробезопасность должен быть отражен в результатах освоения. Студент после прохождения курса должен: Знать: - правовые, нормативно-технические и организационные основы обеспечения электробезопасности; - действие электрического тока на организм человека; - технические характеристики электроустановок; -классификацию и область применения электроустановок с различными напряжениями; - назначение, область применения и принцип работы защитных мер безопасности; - требования к средствам защиты от поражения электрическим током; - меры снижения опасности поражения электрическим током. Уметь: - пользоваться нормативной литературой; - проводить анализ опасности поражения электрическим током в различных электрических сетях; - выбирать и применять конкретные технические решения для обеспечения электробезопасности в зависимости от схемы питания и условий работы; -оказывать первую доврачебную помощь человеку, пострадавшему от электрического тока. Владеть: - терминологией в области электробезопасности; -навыками оказания первой доврачебной помощи человеку, пострадавшему от электрического тока; -навыками рациональной организации труда электротехнического персонала. Также после изучения курса по электробезопасности у студента должна сформироваться учебная база знаний, которая способствуют становлению современного специалиста, который при выполнении своих служебных обязанностей сможет: - демонстрировать базовые знания в области естественнонаучных дисциплин и использовать основные законы в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования; - использовать методы анализа и моделирования линейных и нелинейных электрических цепей постоянного и переменного тока;

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

- использовать нормативные правовые документы в своей профессиональной деятельности; - анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования; - решать конкретные задачи по построению защитных средств в области электробезопасности. Выводы

Молодые специалисты выпускники высшего технического учебного заведения должны обладать целым набором ключевых компетенций. Среди которых способность к обучению и самообразованию, умению адаптироваться к любой ситуации, поиску информации, принятию ответственных решений, анализу ситуации, выделению ключевых позиций, нести ответственность, генерировать новые знания, а также владение информационно-коммуникационными технологиями и глубокое знание предметной области. Подготовка такого специалиста требует в свою очередь ориентации образовательных услуг на международный уровень, международные стандарты качества. Внедрение в образовательный процесс возможностей, которые предоставляются сегодня современными информационными и коммуникационными технологиями, неизбежно ведет к модернизации процессов как учебного, так и административного сопровождения деятельности преподавателя, студента, руководителя учебного подразделения, учебновспомогательного персонала, а также к появлению новых участников учебного процесса. Система обучения по вопросам электробезопасности может подготовить работника к выполнению определенных должностных функций с точки зрения реализации социального аспекта для охраны труда и техники безопасности, дав ему необходимый набор обновленных знаний, навыков.

Перечень ссылок

1. Аванесов, B.C. Проблема модернизации образования [Текст] / B.C. Аванесов / / Материалы XI Междунар. науч. конф. «Модернизация России: ключевые проблемы и решения». - М., 2010. - С. 33-41. 2. Галкин, В.В. Модернизация российского образования: вызовы нового десятилетия [Текст] / В.В. Галкин, А.Е. Волков. - М.: Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2015. - 104 с. 3.Никитина, Т. В. Компетентностный подход как методологическая основа высшего образования [Текст] / Вестник Кемеровского Государственного университета. -2015. - No 2 (62). - Т. 3. - С.88-91. 4. Полат, Е.С., Бухаркина, М.Ю. Современные педагогические и информационные технологии в системе образования : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. [Текст]/ Е.С. Полат, М.Ю. Бухаркина. — 3-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2010. — 368 с. 5. Захарова, И.Г. Информационные технологии в образовании : учеб. пособие для студ.высш. учеб. заведений [Текст] / И.Г.Захарова. — 6-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2010. -192 с. 6. Хусаенова, А. А. Компетентностный подход в высшем образовании [Текст] / Образование и воспитание. -2015. - №4. - С. 23-26.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.865:004.896

ПЛАНИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ПРИВОДОМ В MATLAB

Б.А.Костырко, Д.Н.Мирошник ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье описывается разработка алгоритма чистого преследования при планировании траекторий движения мобильного робота с дифференциальным приводом. Ключевые слова: алгоритм чистого преследования, мобильный робот, дифференциальный привод The article describes the development of a pure pursuit algorithm when paths planning the motion of a mobile robot with a differential drive. Keywords: pure pursuit algorithm, mobile robot, differential drive Мобильные роботы находят все большее применение в условиях, когда присутствие человека в зоне выполняемых работ представляет опасность или нежелательно по соображениям ограничения производительности обслуживаемого оборудования. Область применения мобильных роботов самая широкая: ликвидация ЧС, обслуживание торговых площадок, исследование незнакомой местности, включая другие планеты и т.д. При этом планирование перемещения робота является важнейшей задачей автономных робототехнических систем. Решение данной задачи охватывает такие области как искусственный интеллект, вычислительная геометрия, компьютерное моделирование и теория автоматического управления [1]. Автоматизация процесса планирования перемещения является одной из важнейших подзадач передвижения мобильного робота. Ее можно разделить три части: построение карты, определение пути через координаты, планирование перемещения. В случае если роботу задается путь в виде n-ого количества координат x(n),y(n) задача их прохождения за минимальное количество времени напрямую связана с производительностью. При этом важным фактором является неизменность максимальных параметров линейной и угловой скорости движения робота, а также быстродействие. Решение данной задачи напрямую связывают с использованием алгоритма pure-pursuit (чистое преследование) [2]. Подобные и другие задачи функционирования и навигации мобильных роботов не могут

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

решаться без применения компьютерного моделирования. Так, например, в программном пакете MATLAB, начиная с версии 9.4, появилось приложение MOBILE ROBOTICS SIMULATION TOOLBOX [3], а ранее с версии 8.5 - ROBOTICS SYSTEM TOOLBOX [4]. Эти приложения позволяют быстро освоить основы планирования траекторий мобильных роботов для сокращения времени разработки прототипов устройств в условиях конкретной практической задачи. Цель работы: изучение основных принципов функционирования алгоритма «pure pursuit» и особенностей его реализации для дифференциального привода в программной среде MATLAB. Данный алгоритм относят к итерационному методу планирования траектории движения в области вычислительной геометрии (рис.1). y

Y=y-1 y=kx+b Тк=[xк;yк] Y=kX+B

Xр

B Θ

yт=1 b Тн=[xн;yн]

rкр

Θp

X=x-2

Θзад

0;0

робот

хт=2

Рисунок 1 – Алгоритм чистого преследования при планировании траектории движения Задачу планирования движения робота из начальной точки Тн с координатами [xн,yн] к конечной точке Тк [xк,yк] в текущей точке [xт,yт] можно свести к определению желаемого угла θ, при котором робот встречается с траекторией движения [Тн; Тк] на расстоянии r. Тогда при изменении угла текущей ориентации робота θр в соответствии с θ, робот автоматически приедет в точку Тк. Из рисунка видно, что определение угла θ возможно при решении квадратного уравнения относительно [Xf,Yf] для неподвижной систе96

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

мы координат текущего положения робота [X,Y]. Тогда из двух полученных корней квадратного уравнения выбирается тот, который находится ближе к точке Тк (рис.1). При этом алгоритм чистого преследования работает в функции проекции точки [Xf,Yf] на вращающуюся ось абсцисс робота [2]. На рисунке 2 показано, что точка Xp может иметь отрицательное значение, тогда угловая скорость будет положительной: ω=-2Xр/r2, где r – дальность обнаружения точки движения по траектории. Физический смысл координаты Xр заключается в том, что она обратнопропорциональна радиусу кривизны rкр. При стремлении Xр→0, робот едет прямо, а rкр→∞. На рисунке 2 представлен общий вид модели планирования траектории движения пяти одинаковых мобильных роботов с дифференциальным приводом при различных алгоритмах управления. Path Following with the Pure Pursuit Algorithm (Differential Drive) Copyright 2018 The MathWorks, Inc.

pose

Path Following

0 2 4 2 0.5

0 3 2 4 3

Visualize Robot 1

LinVel

Pose

Pure

Waypoints

Pursuit

vRef1

AngVel

waypoints

wheelSpd

wheelSpeeds1

Differential Drive Inverse Kinematics

waypoints

pose

vRef

wheelSpd

pose

pose1

Original

Waypoints

Robot 1 Visualizer

vRef2

MAX

vRef

wheelSpd

Differential Drive Inverse Kinematics1

Differential Drive Simulation

wheelSpeeds2

wheelSpd

pose

pose2

waypoints Multi-Robot

Environment

pose

Robot 2 Visualizer Visualize Robot 2

Differential Drive Simulation1

waypoints pose

waypoints

vRef3

Razmost teta

pose

waypoints

pose

waypoints

MAXReverse

wheelSpd

Differential Drive Inverse Kinematics2

vRef4

Pure pursuit simulink

waypoints

vRef

wheelSpd

Differential Drive Inverse Kinematics3

vRef5

vRef

wheelSpd

Differential Drive Inverse Kinematics4

wheelSpeeds3

wheelSpd

pose

pose3

pose

Robot 3 Visualizer

pose

Robot 4 Visualizer

pose

Robot 5 Visualizer

Differential Drive Simulation2

wheelSpeeds4

wheelSpd

pose

pose4

Differential Drive Simulation3

wheelSpeeds5

wheelSpd

pose

pose5

Differential Drive Simulation4

Рисунок 2 – Модель алгоритмов чистого преследования роботов с дифференциальным приводом и одинаковыми условиями На ней блок «original» представляет собой оригинальный алгоритм, в виде блока MATLAB Pure Pursuit. Его использование не возможно для версий MATLAB ниже 8.5. Использовались параметры ли97

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

нейная скорость 0.5 м/с, максимальная угловая скорость 1.5рад/с, r=0.35 м. Его выходы линейной скорости v и угловой скорости ω задаются на вход обратной кинематики дифференциального привода [2], где преобразуются в угловые скорости колеc. Блок «differntial drive simulation» состоит из прямой кинематики и перехода к вращающейся системе координат ориентированной с роботом. В ней рассчитываются линейные скорости по осям x,y и угловая скорость, которые после интегрирования дают вектор ориентации робота pose=[xт yт θр]T. При моделировании учитывались следующие параметры: R=0.1м – радиус колеса, L=0.5м – длина между колесами, шаг моделирования 0.05с, начальная ориентация 1800. Недостатком алгоритма «original» является кратковременный выход угла θр в другой квадрант по отношению к углу θзад. Это приводит к увеличению пройденного пути. При этом робот описывает окружность в сторону, ближайшую к углу θзад и далее выходит на траекторию [Тн;Тк]. Аналогично робот ведет себя при достижении текущих координат (waypoints) и переключении на следующую пару координат. Еще один недостаток предлагаемого MATLAB решения это работа только в версиях выше 15, что существенно увеличивает аппаратные требования к компьютеру для моделирования мобильных роботов. Алгоритмы для «Pure pursuit simulink» и «Raznost teta» роботов используют расчет точки [Xf,Yf] (рис.1), и достаточно приближаются к оригинальному алгоритму, но не повторяют его (рис.3). Здесь недостатком алгоритма «Pure pursuit simulink» является кратковременный уход угла θр в другой квадрант по отношению к заданному направлению с углом θзад. Это приводит к прохождению избыточного пути. Аналогичная ситуация наблюдается в работе алгоритма «Original» с оригинальным алгоритмом при переходе от 3-ей к 4-ой точке (3-я и 4ая строка координат waypoints на рис.1). В соответствии с рис.1 алгоритм чистого преследования может работать в функции разности углов (θ-θр). При этом возможна настройка системы под оптимум, зависящий от шага обновления параметров, а также быстродействия контуров регулирования скорости роботов. Подобное решение допускает ограничение текущего задания θ в соответствии с квадрантом θзад. Оба предложенные алгоритмы показали повышение быстродействия в соответствии с оригинальным (рис.3) за счет меньшего пройденного пути. 98

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1.5

0.5

-0.5

-1

ω3, рад/с ω4, рад/с ω1, рад/с

-1.5

t,c

Рисунок 3 – Результаты моделирования алгоритмов чистого преследования роботов с дифференциальным приводом Повышение быстродействия робота возможно не за счет выхода на траекторию [Тн;Тк], а с применением пересчета данной траектории по текущему вектору ориентации, когда θ=θзад, а Тн=Тт. Такой алгоритм «MAX» представлен на рисунке 2 и характеризуется минимальным пройденным путем и, как следствие, максимальным быстродействием. В этом случае робот не касается траектории [Тн;Тк]. При возможности реверсирования двигателей, наибольшее быстродействие мобильного устройства дает алгоритм «MAXReverse», в котором алгоритм «MAX» учитывает направление линейной скорости робота (рис.4,5). Версии MATLAB выше 9.4 позволяют также производить анализ движения роботов при помощи графического интерфейса иллюстрирования вектора ориентации роботов pose. Фрагменты вывода результатов моделирования представлены на рисунке 5.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 1.5

0.5

-0.5 ω2 ω5 ω1

-1

-1.5

t,c 0

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1

v5 v1=v2

-0.2 -0.3 -0.4 -0.5

t,c 2

Рисунок 4 – Результаты моделирования предложенных алгоритмов управления роботами с пересчетом траектории движения

100

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ Multi-Robot Visualization

Multi-Robot Visualization

y,м

y,м 3.5

3.5

2.5

1.5

5 Роботов двигаются к точке 2

1 24 3 1

0.5

1 34 2

5 Роботов двигаются к точке 3

0.5

x,м

x,м 0 0

-0.5 4

0.5

1.5

2.5

3.5

0 -0.5

Multi-Robot Visualization

y,м

0.5

1.5

y,м 2

3.5

3.5 5

2 4 31

2.5

3.5

1 43

2.5

1.5

5 Роботов двигаются к точке 4

5 Роботов двигаются к точке 5

0.5

x,м 0 -0.5

4.5

2.5

Multi-Robot Visualization

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

x,м 0 -0.5

0.5

1.5

2.5

4.5

Рисунок 5 – Графическое представление движения роботов Выводы

В работе рассмотрены алгоритмы чистого преследования позволяющие моделировать движения робота к цели с учетом ориентации. Подобные решения могут быть использованы для движущейся цели, и для низких версий MATLAB.

Перечень ссылок

1. Чинь Суан Лонг. Методы построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.05 / Чинь Суан Лонг; [Место защиты: Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (Новочеркас. политехн. ин-т)].- Новочеркасск, 2010.- 139 с. 2. Bethencourt, Julio & Ling, Qiang & Valera, Ángel. (2011). Controller design and implementation for a differential drive wheeled mobile robot. Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference, CCDC 2011. 10.1109/CCDC.2011.5968930. 3. Mobile Robotics Simulation Toolbox [Электронный ресурс]/ Mathworks. — Режим доступа: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/66586mobile-robotics-simulation-toolbox , свободный. — Загл. с экрана. 4. Robotics system toolbox [Электронный ресурс]/ Mathworks. — Режим доступа: https://www.mathworks.com/products/robotics.html , свободный. — Загл. с экрана.

101

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБОБЩЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ А.М. Ларин, Я.А. Авраменко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

Анализируются типовые частотные характеристики проводимости со стороны обмотки статора и эквивалентные им схемы замещения турбогенераторов, полученные различными способами обобщения динамических свойств синхронных машин. Сформулированы рекомендации по их применению для исследования электромагнитных и электромеханических переходных процессов в электрических системах. Ключевые слова: типовые параметры, турбогенератор, схема замещения, моделирование, переходный процесс Typical frequency response characteristics of conductivity from the side of stator winding and identical to them the turbogenerator’s equivalent circuit, got of different ways of generalizations of synchronous machines dynamic properties, are analysed. Recommendations for their application are formulated for using of electromagnetic and electromechanics transients research in the electric systems. Keywords: typical parameters, turbogenerator, equivalent circuit, design, transient Описание синхронных электрических машин (СМ) в виде совокупностей электромагнитных параметров в форме частотных характеристик (ЧХ) проводимостей со стороны обмотки статора или соответствующих им эквивалентных схем замещения находит в настоящее время широкое применение для расчета электромагнитных и электромеханических переходных процессов в электрических системах [1]. К настоящему времени в ряде организаций получены частотные характеристики некоторых промышленных турбогенераторов (ТГ) различной мощности. Их сопоставление показало, что у всех высокоиспользованных турбогенераторов мощностью от 100 до 800 МВт полученные характеристики y d ( js ) и y q ( js ) в области частот s > 0,001 o.e. идентичны [2]. Наибольшие расхождения, имеют место в зоне малых частот

102

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

s < 0,001 o.e. Это, в основном, обусловлено отличием в значениях синхронных реактивностей x d и x q . Учитывая, что для различных промышленных турбогенераторов геометрия их роторов и магнитные характеристики материалов, из которых они выполнены, практически одинаковы, представляется возможным обобщение их электромагнитных свойств и создание унифицированных типовых параметров, пригодных для любого промышленного отечественного турбогенератора. Такие обобщенные параметры целесообразно будет использовать при исследовании переходных процессов в тех случаях, когда отсутствуют экспериментальные частотные характеристики генератора конкретного типа. Применение типовых характеристик может оказаться полезным так же при проектировании систем электроснабжения, содержащих новые типы турбогенераторов. Кроме того, использование обобщенных зависимостей при наличии значительного количества различных типов эксплуатируемых машин позволит существенно сократить объем массива исходной информации в программах расчета переходных процессов. Это объясняет повышенный интерес специалистов к вопросам идентификации и исследования электромагнитных параметров синхронных машин на основании эквивалентных схем замещения. Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по повышению точности моделирования переходных процессов в турбогенераторах на основе типовых частотных характеристик и многоконтурных эквивалентных схем замещения. Существуют различные подходы к унификации электромагнитных параметров ТГ. В [2] предлагается определять типовые характеристики в виде отношения двух полиномов для операторных сопротивлений, в коэффициенты которых входят паспортные данные турбогенераторов. Порядок полиномов равен числу контуров в схемах замещения общепринятого вида. Для продольной оси такая схема показанна на рис. 1. В схеме по поперечной оси должен отсутствовать контур ОВГ.

Рисунок 1 – Схема замещения ТГ общепринятого типа по оси d

Рисунок 2 – Схема замещения ТГ с вынесенной ветвью намагничивания

103

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Ограничившись замещением массива ротора тремя эквивалентными контурами по осям d и q, и аппроксимировав экспериментальные частотные характеристики турбогенераторов, были получены единые выражения для операторных сопротивлений X d ( p ) и X q( p ) , которые и являются типовыми. Таким образом в [2] по частотным характеристикам четырех ТГ мощностью 200 - 500 МВт были найдены значения параметров контуров схем замещения, отражающих влияние массивных конструктивных элементов ротора, пригодные для любого крупного генератора. К преимуществу такого способа следует отнести его простоту, поскольку полученные параметры демпферных контуров можно непосредственно использовать при моделировании. В [3] рассматривается поход к определению параметров эквивалентных контуров схемы замещения ротора обобщенного турбогенератора, заключающийся в выражении искомых параметров соотношениями типа уравнений регрессии для двухмерного факторного пространства. Предложенный подход отличается возможностью учета опытных значений эквивалентных активных и индуктивных сопротивлений рассеяние ротора неподвижной машины. Это позволило повысить точность предопределения явлений, для которых существенен учет рассеяния энергии в контурах ротора в начале протекания переходных процессов, например, при внезапных коротких замыканиях. При обобщении таким методом анализировались не комплексные проводимости синхронных генераторов в целом, а зависимости активного и индуктивного сопротивлений контуров ротора от скольжения. Такой подход оказывается досточно трудоемким при применении. Необходимо знать относительные обобщенные параметры и коэффициенты полиномов, которые представляют собой достаточно сложные выражения. Во всех рассмотренных случаях анализировались параметры Тобразных схем замещения общепринятого вида (см. рис.1), предполагающих равенство магнитного потока взаимной индукции между всеми контурами. При синтезе Т-образных схем замещения на значения эквивалентных параметров роторных контуров существенное влияние оказывает величина необходимого для расчетов индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора xσ . Это приводит к дополнительным погрешностям при определении типовых параметров турбогенераторов, описанными в [2, 3] способами. В [4] рассматривается возможность обобщения частотных характеристик и получения унифицированных параметров схем замещения 104

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

с вынесенной ветвью намагничивания (рис. 2), отражающих динамические свойства массивных элементов ротора при разомкнутом и короткозамкнутом состояниях обмотки возбуждения. Для решения этой задачи предлагается подход, отличающийся возможностью учета известных значений синхронных ( x d , x q ) и сверхпереходных ( x d( n ) , x q( n ) ) значений индуктивных сопротивлений турбогенератора конкретного типа. Это позволит с большей точностью отобразить динамические свойства конкретного турбогенератора одновременно как в области малых, так и больших скольжений. В указанных источниках практически отсутствует оценка погрешностей расчета мгновенных значений параметров переходных режимов по предложенным типовым параметрам. В настоящей работе производится анализ точности моделирования широкого круга переходных процессов, на основании которого формулируются рекомендации по повышению точности расчетов при использовании обобщенных электромагнитных параметров ТГ. Исследования проводились для турбогенератора типа ТГВ-300, имеющего следующие параметры: Pном = 300 МВт; U ном = 20 кВ;

Cosϕ ном = 0,85 ; x d'' = x q'' = 0,195 ; x d = x q = 2.19 ; xσ = 0,17o.e. Методика исследований заключалась в анализе широкого круга переходных процессов на основе математического моделирования при использовании точных и обобщенных электромагнитных параметров турбогенераторов. Моделирование проводилось по программе, реализующей численное интегрирование полных дифференциальных уравнений ПаркаГорева, дополненных уравнением движения ротора, методом РунгеКутта четвертого порядка. Был выполнен широкий круг расчетов переходных процессов, происходящих при различных изменениях скорости вращения ротора: - без изменения скорости вращения ротора при внезапных трехфазных коротких замыканиях на выводах турбогенератора; - при малых изменения скорости при выпадении из синхронизма и переходе к установившемуся асинхронному режиму в результате потери возбуждения; - при значительных изменениях скорости при включении невозбужденного генератора в сеть, вращающегося с заданным скольжением. В соответствии с методиками, изложенными в [2-4], были рассчитаны параметры схем замещения исследуемого ТГ, приведенные в табл.1. Параметры обмотки возбуждения (ОВГ) во всех случаях при-

105

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

нимались одинаковыми ( x σf = 0,00147 ; r f = 0,33 ). Таблица – Параметры демпферных контуров турбогенератора ТГВ-300 Способ получения схем замещения

Исходные

ось d ось q

По [2]

ось d ось q

По [3]

ось d ось q

По [4]

ось d ось q

xσ 1 r1

0,20300 0,00403 4,30300 0,00458 1,86000 0,00610 3,98000 0,00530 2,15300 0,01540 3,63900 0,00580 1,98700 0,00620 2,14800 0,00482

xσ 2 r2

0,12800 0,04310 0,82500 0,01620 0,36400 0,01010 0,88800 0,01420 0,63500 0,02430 1,20400 0,01750 0,43600 0,01197 0,71200 0,01516

xσ 3 r3

0,0430 0,0802 0,3230 0,0453 0,1000 0,0345 0,4370 0,0577 0,2130 0,0621 0,3080 0,0338 0,1470 0,0240 0,2620 0,0404

xσ 4 r4

0,0510 0,1010 0,1430 0,1844 0,0940 0,1340 0,0450 0,0967 0,0290 0,1718 0,0420 0,1130

Сопоставительный анализ частотных характеристик y d ( js ) генератора ТГВ-300 по продольной оси ротора для разомкнутого состояния ОВГ, выполненный в [4], показал, что с учетом коррекции несовпадение действительных и мнимых составляющих исходных характеристик и полученных по методике [4] в диапазоне скольжений 0,01 < s < 10 не превысило 8,5%. Определение ЧХ по методике [2] приводит к погрешностям, достигающим 37,1% в области скольжений s < 0.01 о.е. В области скольжений s > 0,5 о.е. несовпадение частотных характеристик составляет 57,3%. ЧХ, рассчитанные по данным [3], имеют погрешность не более 10% в зоне скольжений s>0.5 о.е. Однако при скольжениях s < 0,1 о.е. она превышает 30%. Таким образом выполненное сопоставление свидетельствуют о большей эффективности методики обобщения электромагнитных параметров турбогенераторов, предложенной в [4]. На рис.3 показаны кривые изменения модуля изображающего вектора тока статора и тока в ОВГ при внезапном трехфазном КЗ на выводах генератора. На этом и последующих рисунках приняты следующие обозначения: кривая 1 (красный цвет) - расчет по полным схемам замещения; кривая 2 (синий цвет) – расчет по [3]; кривая 3 (коричневый цвет) расчет по [2]; кривая 5 (черный цвет) – расчет по [4]. 106

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ток в обмотке статора

ток в обмотке возбуждения

Рисунок 3 – Изменение тока в обмотках при КЗ на выводах ТГ Из рис.3 следует, что наименьшая погрешость в определении ударного тока статора имеет место при использовании схемы, полученной по [4]. Ошибка составляет 7,4%. Для схемы, найденной по [2], несовпадение увеличивается до 9,7%. Использование типовых параметров по [3] дает еще большее несовпадение в 12,8%. При определении тока в ОВГ использование схем, полученных по [2] и [4], дает практически одинаковые результаты. Отличие от точных значений составляет 15,5%. Использование параметров, соответствующих [3], приводит к ошибке в 23,9%. На рис.4 приведены результаты моделирования электромеханических переходных процессов при выпадении из синхронизма и переходе к установившемуся асинхронному режиму генератора после потери возбуждения при замкнутом на активное сопротивление самосинхронизации RCC = 5R f состоянии ОВГ. Сопоставление результатов расчета показывает, что худшие результаты имеют место при использовании обобщенных параметров, полученных по [3].

ток в обмотке статора

ток в обмотке возбуждения

Рисунок 4 - Изменение параметров при выпадении из синхронизма и установившемся асинхронном режиме турбогенератора Набольшие отличия, превышающие 56%, имеют место при определении максимального значения тока в ОВГ. Моделирование по [2] и [4] приводит к снижению погрешности до 2,2% и 9,9% соответственно. Ошибка в периоде проворота ротора составляет по [3] 30,3% и не

107

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

более 11% по [2] и [4]. Моделирование режимов включения в сеть невозбужденного генератора, вращающегося с заданным скольжением, показало, что погрешности в расчетах токов в обмотке статора и возбуждения находятся в тех же пределах, что и при внезапных коротких замыканиях. Характер изменения скольжения и время втягивания машины в синхронизм практически одинаковы для любых моделей при начальных значениях скольжения в пределах от 0 до 10%. Выводы

1. Типовые параметры схем замещения массивных элементов ротора ТГ, полученные по методике [3], целесообразно использовать только для анализа электромагнитных переходных процессов. Погрешность расчетов в этом случае может достигать 23%. 2. Использование обобщенных зависимостей, рекомендуемых в [2] и [4], позволяет исследовать как электромагнитные, так и электромеханические переходные процессы с погрешностью, не превышающей 15%.

Перечень ссылок

1. Larin, A. Еxperimental determination of turbogenerator electromagnetic parameters totality taking into account saturation by presenting the exciting winding by multilooped circuit / A. Larin, I. Larina // The advanced science journal. – Vol. 2010. Issue 3. – P.143-148. 2. Лукашов Э.С. Определение и использование в расчетах типовых характеристик и параметров демпферных контуров турбогенераторов / Э.С. Лукашов, А.Х. Калюжный, Б.З. Гамм // Электричество. - 1977. - № 7. – С. 27 –32. 3. Рогозин Г.Г. Параметры эквивалентных контуров схем замещения ротора обобщенного турбогенератора / Г.Г. Рогозин, И.П. Заболотный // Электротехника. – 1980. - №5. – С. 5-10. 4. Ламари Абдессалем. Обобщенные частотные характеристики и эквивалентные многоконтурные схемы замещения турбогенераторов / Абдссалем Ламари, А.М. Ларин // Наукові праці ДонДТУ, серія Електротехніка і енергетика, вип.41. Донецьк, 2002. – С. 14-19.

108

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ В ДАЛЬНИХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧАХ А.М. Ларин, Д.О. Шамрин ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

Разработан комплекс виртуальных моделей электрической системы с длинными линиями электропередачи в среде прикладного пакета MATLAB, для исследования на их основе электромагнитных переходных процессов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях с учетом и без учета распределенности параметров линий. Ключевые слова: электрическая система, длинная линия, короткое замыкание, модель, распределенные параметры The complex of virtual models of the electric system with the long transmission lines in the environment of the applied MATLAB package is developed, for research on their basis the electromagnetic transients at symmetric and asymmetrical short circuits with and with no account taken of line’s distributed parameters. Keywords: electric system, long transmission line, short circuit, model, distributed parameters Непрерывный рост производства, появление новых крупных промышленных предприятий обуславливают, во многих случаях, необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния с помощью дальних электропередач (ДЭП). Вопросы безопасности при эксплуатации атомных электростанций (АЭС) вынуждают считаться с необходимостью их выноса на значительные расстояния от промышленных и населенных пунктов, что также обусловливает строительство ДЭП. Под ДЭП понимают линию электропередачи, оснащенную комплексом технических средств, обеспечивающих повышенную пропускную способность и возможность устойчивой параллельной работы отдельных частей электроэнергетической системы (ЭЭС). Линии электропередачи переменного тока большой протяженностью обладают рядом особенностей, существенно влияющих на протекание электромагнитных переходных процессов, вызванных, например, короткими замыканиями. Большие длины линий приводят к необходимости учета волнового характера переходных процессов и распределенности параметров вдоль линии. 109

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для увеличения пропускной способности длинных линий применяют различные искусственные меры, направленные на улучшение ее параметров. Избыток зарядной мощности поглощают специально включаемыми шунтирующими реакторами (поперечная компенсация). Компенсацию значительной продольной индуктивности осуществляют путем последовательного включения в рассечку фаз статических конденсаторов (с помощью установок продольной компенсации (УПК). Наличие распределенной поперечной емкости линии и сосредоточенной продольной емкости, является основным фактором, характеризующим протекание переходных процессов при коротких замыканиях. В этом случае в составе токов и напряжений электромагнитного переходного процесса появляются периодические свободные составляющие с различными собственными частотами, в том числе и близкими к промышленной [1]. Это необходимо учитывать при настройке устройств релейной защиты и автоматики. Математическая модель электрической системы, содержащей дальние электропередачи, оказывается достаточно сложной. И хотя методы исследования систем с распределенными параметрами достаточно разработаны, применительно даже к типовым схемам электропередачи их применяют с рядом допущений, позволяющих, тем не менее, установить некоторые общие закономерности протекания электромагнитных переходных процессов. Существенное развитие современных компьютерных технологий привело к созданию для ПЭВМ комплекса прикладного программного обеспечения, позволяющего достаточно просто моделировать электроэнергетические системы на основе создаваемых виртуальных моделей. К таким прикладным программам, в первую очередь, следует отнести такие современные пакеты прикладных программ, как PowerFactory и приложение Power Systems пакета MATLAB [2]. В этой связи целесообразна постановка задачи, направленной на разработку виртуальных моделей участка электроэнергетической системы с дальними электропередачами высокого напряжения для исследования широкого круга электромагнитных переходных процессов. Целью настоящей работы является разработка виртуальных моделей электрических систем с длинными линиями электропередачи в среде прикладного пакета MATLAB с использованием приложения Power Systems, и исследовании на их основе электромагнитных переходных процессов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях.

110

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Методика исследований заключалась в создании виртуальных математических моделей ДЭП, позволяющих анализировать электромагнитные переходные процессы при коротких замыканиях как без учета распределенности параметров, так и с учетом волнового характера преходного процесса. Для оценки достоверности разработанных моделей осуществлялось сопоставление результатов расчетов переходных процессов, полученных на их основе, с результатами расчетов по другим известным методам [3]. Исследования проводились для электропередачи, показанной на рис. 3.1, в которой электростанция связана с приемной электрической системой длинной компенсированной ЛЭП. Параметры элементов электропередачи приведены в [3].

Рисунок 1 – Схем исследуемой дальней электропередачи Рассмотрим вначале расчет электромагнитных переходных процессов при трехфазном коротком замыкании за установкой УПК (точка К) по упрощенной методике. При этом не будем учитывать свободные периодические составляющие, имеющие частоты собственных колебаний выше синхронной, а ограничимся учетом только составляющей низшей частоты. Не будут приниматься во внимание также поперечная емкостная проводимость ЛЭП и индуктивности шунтирующих реакторов R1 и R2. Расчет аварийной составляющей тока КЗ синхронной частоты произведем в предположении, что в момент повреждения мгновенное значение тока равнялось амплитуде: U . (1) I пер = xΣ Напряжение в (1) в момент КЗ принималось равным номинальному значению U = 1 о.е. Изменение переходного тока рассчитывалось по соотношению (2) I A (t ) = I пер cos(ωct + α) − I св − ν св t cos(ωсвt ) , в котором принималось, что начальное значение свободного тока I св равно и противоположно по знаку установившейся составляющей I пер . Это соответствует фазе короткого замыкания α = 0 или α = π .

111

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

На рис. 1 приведена виртуальная модель электропередачи от электростанции до точки КЗ, разработанная в среде пакета MATLAB [2] для анализа переходных процессов без учета распределенности параметров ЛЭП. В этом случае все элементы реальной электропередачи представлялись активно-индуктивно-емкостными блоками (3- Phase Series RLC). Линия электропередачи представлялась Т–образной схемой замещения. Генератор и трансформаторы учитывались неизменными во времени индуктивными и активными сопротивлениями. Измерение напряжения в месте КЗ осуществлялось для контроля фазы включения. С помощью блока КЗ предусмотрена возможность изменять фазу включения и осуществлять как трехфазные, так несимметричные КЗ

Рисунок 2 – Виртуальная модель участка дальней электропередачи На рис. 3 показаны осциллограммы изменения тока в фазе «А» при трехфазном КЗ на линии длиной 200 км и 50%-ой компенсации ее индуктивного сопротивления, полученные по упрощенной методике. На этом и последующих рисунках приняты такие обозначения; а) – аналитический расчет операторным методом [3]; б) – расчет с помощью виртуальной модели.

а) б) Рисунок 3 – Кривые изменения тока во времени при трехфазном КЗ Как следует из анализа рис.3 результаты расчетов различными методами полностью совпали. 112

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Исследования влияния шунтирующих реакторов и емкостной проводимости линии показали, что при длине линии 200 км их влияние не значительно. Изменился несколько характер переходного процесса. Величина ударного тока, равная 4,4 кА осталась неизменной. Следует обратить внимание, что наличие емкости, включенной в рассечку фаз проводов привело к тому, что ударный ток возник практически через период промышленной частоты. На рис.4 приведены результаты расчета короткого замыкания при длине линии 600 км, индуктивность которой была за счет УПК уменьшена в два раза. Анализ результатов показал, что учет емкостной проводимости ЛЭП и шунтирующих реакторов привел к увеличению ударного тока на 16,4%. При этом видно, что при 50% -ой компенсации переходный процесс носит характер биений, а ударный ток наступает через 0,03 с.

с учетом емкостной проводимости

без учета емкостной проводимости

Рисунок 4 - Кривые изменения тока во времени при трехфазном КЗ на линии длиной 600 км На рис. 5 показана модель исследуемого участка электропередачи при представлении линии блоком, учитывающим распределенность параметров (Distributed Parameters Line). На рис.6 представлены результаты расчетов токов КЗ, полученные аналитическим методом [3] и по виртуальной модели (рис.5) при фазе возникновения повреждения, равной π . При этом осуществлялась половинная компенсация индуктивности ЛЭП. Анализ полученных результатов показал, что характер переходных процессов, полученных различным способом полностью идентичен. При использовании виртуальной модели ударный ток оказался больше на 15,4%. Видно также, что при α = π , что имеет место для фазы «А», высокочастотные составляющие имеют минимальные значения. Для фаз «В и С», для которых фаза включения отличается от π , заметны высочастотные составляющие периодических свободных токов.

113

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 5 – Модель участка электропередачи при представлении длинной линии блоком Distributed Parameters Line

а) ток в фазе «А»

б) токи в трех фазах ЛЭП

Рисунок 6 - Кривые изменения тока во времени при учете распределенности параметров ЛЭП В результате анализа выполненных исследований электромагнитных переходных процессов при трехфазном КЗ на длинной линии, можно отметить некоторые их особенности и закономерности. При фазе включения α = π или α = 0 амплитуда составляющей свободного периодического тока низшей частоты имеет наибольшее значение. Составляющие, имеющие высокие частоты, наоборот, оказываются максимальными при α = π / 2 . Для случаев, когда на линии не применялась продольная компенсация, составляющая низшей частоты вырождалась в экспоненту. Это объясняется тем, что при отсутствии емкости, накопленная в индуктивности электромагнитная энергия не перераспределяется, а плавно уменьшается за счет нагрева активных сопротивлений. Несмотря на то, что при α = π / 2 амплитуды высших частот увеличиваются в несколько раз (практически на порядок), ударный ток имеет место при α = 0 не зависимо от длины линии 114

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

и степени компенсации электропередачи. Такие же закономерности проявляются и при однофазных коротких замыканиях. При фазе КЗ α = 0 в переходном токе практически отсутствуют высокочастотные составляющие. При двухфазных замыканиях высочастотные периодические составляющие имеют заметное присутствие при любых моментах возникновения КЗ. Наименьшими они оказываются при α = 0 . Представление в модели линии электропередачи не одним, а несколькими блоками Distributed Parameters Line, таким образом, чтобы длина отдельных участков равнялась длине всей линии, не влияет на протекание электромагнитных переходных процессов как при симметричных, так и при несимметричных КЗ. Однако такое моделирование ЛЭП позволяет исследовать переходные процессы для различных удаленностей точки повреждения от электростанции. С другой стороны это создает предпосылки для разработки методов новых способов отыскания мест коротких замыкания на дальних электропередачах. Выводы

1. Разработан комплекс виртуальных моделей электрической системы с длинными линиями электропередачи в среде прикладного пакета MATLAB, для исследования на их основе электромагнитных переходных процессов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях с учетом и без учета распределенности параметров линий. 2. Созданное программное обеспечение целесообразно использовать для разработки метода отыскания мест коротких замыканий на дальних электропередачах с учетом распределенности параметров длинных линий.

Перечень ссылок

1. Куликов, Ю. А. Переходные процессы в электроэнергетических системах: учеб. Пособие / Ю.А. Куликов. – Москва: Издательство Омега-Л. - 2013. – 384 с. 2. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. – М. : ДМК Пресс; СПб. : Питер, 2008. – 288с. 3. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы / С.А. Ульянов. – Москва: Энергия. - 1970. – 520 с.

115

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НЕРЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕТОДОМ МАЛЫХ ОТКЛОНЕНИЙ А.М. Ларин, А.И. Пащенкова ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

Разработано программное обеспечение в среде MathCAD для оценки статической устойчивости электрических систем с помощью практических критериев, выявляющих знаки корней характеристических уравнений, как составная часть электронного пособия по изучению раздела «Анализ статической устойчивости методом малых колебаний» дисциплины «Электромеханические переходные процессы в электрических системах». Ключевые слова: электрическая система, статическая устойчивость, характеристическое уравнение, метод малых колебаний Software in the environment of MathCAD is developed for the estimation of electric systems static stability by means of practical criteria, exposing the signs of roots of characteristic equations, as component part of electronic manual for the study of part "Analysis of static stability by the method of small vibrations" of discipline the "Electromechanics transients in the electric systems". Keywords: electric system, static stability, characteristic equation, method of small vibrations В любой электроэнергетической системе (ЭЭС) установившийся режим не означает неизменность всех его параметров. В ней всегда действуют различные внешние возмущения, вызывающие свободные движения, которые могут быть нарастающими или затухающими, колебательными или апериодическими, что в результате может привести к нарушению ее нормальной работы. Способность ЭЭС сохранять режим генерации, транспортировки электроэнергии и ее потребления при малых (теоретически бесконечно малых) возмущениях определяет круг задач статической устойчивости (СУ). Таким образом, обеспечение СУ является необходимым условием работоспособности системы [1, 2]. Устойчивость определяется не только величиной небаланса моментов, но и начальным угловым положением роторов синхронных генераторов (СГ), которое зависит от исходного режима, действия автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) и скорости (АРС). От

116

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

достоверности оценки устойчивости зависит правильность принимаемых решений, обеспечивающих надежность и экономичность функционирования электрических систем. Поэтому специалисты должны иметь навыки в расчетах процессов, предсказывая по изменениям параметров системы количественное изменение ее режима; уметь установить, когда и какие воздействия должны получить элементы системы от регулирующих устройств, придавая переходному процессу желаемый характер. Такие умения и навыки должны формироваться еще на этапе подготовки в высшей школе. В связи с этим, большое значение имеет то, какими средствами пользуется высшее учебное заведение в процессе подготовки будущих энергетиков, какие современные методы использует для формирования у них знаний, умений и компетенций, необходимых для качественной профессиональной деятельности. Одним из относительно новых средств современного обучения являются автоматизированные электронные курсы, которые позволяют в условиях всех форм обучения реализовывать постоянное взаимодействие преподавателя и студента, контролировать степень и качество изучения студентом учебного материала. Такие электронные учебные пособия могут широко использоваться и для дистанционного обучения. Эффективное функционирование таких обучающих систем требует разработки соответствующих модульных компонентов. Целью настоящей работы является разработка программного обеспечения (ПО) и исследование на его основе статической устойчивости электрических систем с помощью алгебраических и частотных критериев. ПО создавалось в среде прикладного пакета MathCAD таким образом, чтобы оно могло использоваться, как модуль электронного пособия по изучению раздела «Анализ статической устойчивости методом малых колебаний» дисциплины «Электромеханические переходные процессы в электрических системах», читаемых в вузах для энергетических специальностей. В расчетной части предусмотрены исследования с помощью алгебраического критерия Гурвица и частотного критерия Михайлова. Для подробного изучения и сопоставления условий различных видов нарушения СУ предусмотрено с помощью вычислительных возможностей системы MathCAD, непосредственное определение корней характеристического уравнения [1, 3]. a 0 p 3 + a1 p 2 + a 2 p + a3 = 0 .

В (1) коэффициенты определяются следующим образом:

117

(1)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

a0 = Td' T j ;

a1 = Td' Pd + T j ;

 ∂PEq где с1 (δ 0 ) =   ∂δ 

a 2 = Td' c 2 (δ 0 ) + Pd ;

 ∂P '   ; с 2 (δ 0 ) =  Eq   ∂δ  δ0 

a3 = c1 (δ 0 ) .

    δ0

Из приведенных соотношений следует, что коэффициенты характеристического уравнения зависят от параметров генератора ( Td' , T j , Pd ) и исходного режима, определяемого углом δ 0 . Выражения для угловых характеристик мощности PEq и PE ' заq

писываются в соответствии с [1] при учете явнополюсности ( x d > x q ) генератора и активных сопротивлений, что позволяет исследовать их влияние на пределы устойчивости. Определение значений производных, используемых при расчете коэффициентов характеристического уравнения, осуществлялось с помощью вычислительных возможностей системы MathCAD. Это позволяет исключить возможные ошибки при осуществлении процедуры предварительного дифференцирования соответствующих достаточно сложных выражений для угловых характеристик мощности. Используемые критерии позволяют установить параметр, для которого обеспечивается сохранение статической устойчивости. Однако при этом, в большинстве случаев, не устанавливается характер протекания переходных процессов если исследуемый параметр выходит за пределы допустимой области. Для установления характера переходного процесса при устойчивом или неустойчивом режиме предусмотрено автоматическое вычисление корней и формирование закона изменения параметров переходного режима для всего возможного диапазона изменения исследуемого параметра. Это осуществляется путем создания анимационных файлов, которые могут формироваться как непосредственно при работе с программным обеспечением, так и при последующем их просмотре с помощью универсальных проигрывателей ПЭВМ. В этих анимационных файлах для повышения наглядности получаемых результатов осуществляются графические построения угловых характеристик, зависимости в функции угла синхронизирующих мощностей, а также результаты анализа одновременно для всех используемых критериев. Методика исследований заключается в определении областей статической устойчивости нерегулирумой ЭЭС с учетом переходных процессов в роторе генератора, представленной на рис. 1.

118

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ G

U=1 Po, Qo

Рисунок 1 - Схема исследуемой простейшей электрической системы dP > 0 , устаdδ навливает, что нарушение устойчивости возможно только апериодического типа при превышении предела передаваемой мощности нерегулируемого генератора PEq (δ) , .

Практический критерий статической устойчивости

На рис. 2 показаны результаты анализа с использованием разработанного ПО системы без учета влияния демпфирования и активных сопротивлений.

Рисунок 2 – Возникновение апериодической неустойчивости Из анализа результатов, представленных на рис. 2, видно, что при превышении угла δ 0 > δ max имеет место нарушение статической устойчивости апериодического типа. Это соответствует тому, что появился один действительный положительный корень P3 . При этом первым стал иметь отрицательное значение главный определитель Гурвица ∆ gur . Годограф, построенный в соответствии с критерием Михайлова, начинается не с первого, а со второго квадранта. При учете влияния активного сопротивления и демпфирования нарушение СУ так же наступает при превышении угла, соответствующего пределу передаваемой мощности. При учете активных сопротивлений этот предел смещается в сторону углов больших, чем 90o . Однако наличие активного сопротивления в цепи обмотки статора ге-

119

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

нератора приводит к тому, что даже при работе с малыми нагрузками возможна неустойчивая работа системы. На рис. 3 приведены результаты анализа системы при работе с малыми углами.

Рисунок 3 – Возникновение самораскачивания в системе Есть некоторый критический угол δ kr , при значении которого выполняется равенство c1 (δ 0 ) = c 2 (δ 0 ) , найденное из условия положительности определителя Гурвица ∆ gur . На рис. 3 показан режим, когда δ 0 < δ kr и c1 (δ 0 ) > c 2 (δ 0 ) . Имеется пара комплексносопряженных корней с положительной вещественной частью. Это соответствует нарушению устойчивости колебательного типа (самораскачивание). При этом кроме отрицательного главного определителя ∆ gur стал отрицательным так же второй минор ∆ 2 . Годограф Михайлова хотя и начинается с первого квадранта, однако нарушается последовательность их прохождения. При увеличении нагрузки на генератор до такого уровня, чтобы δ 0 > δ kr , в системе наступает статически устойчивый режим. При превышении предела мощности как и в случае отсутствия активных сопротивлений происходит потеря устойчивость апериодического типа. Из соотношений для коэффициентов уравнения (1) видно, что от постоянной времени Td' зависят коэффициенты a 0 , a1 и a 2 . При Td' < 0 a 0 < 0 . Знаки коэффициентов a1 и a 2 также могут измениться

при определенных соотношениях между Td' , T j и Pd . Исследования показали, знаки a1 и a 2 не влияют при этом на переходный процесс,

который имеет характер самовозбуждения. Изменение знака Td' < 0 не дает новых соотношений для определителей Гурвица. Следовательно он не может использоваться для выявления неустойчивости типа са-

120

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

мовозбуждения. Критерий Михайлова и наличие действительного положительного корня свидетельствуют о нарушении устойчивости системы. Таким образом, для возникновения неустойчивости в форме самовозбуждения достаточно того, чтобы Td' < 0 .

Условие Td' < 0 может иметь место при включении в цепь обмотки статора отрицательного емкостного сопротивления. В соответствии с [1] значение Td' для явнополюсного генератора определяется следующим выражением: ( x d' Σ − xC )( x qΣ − xC ) + rΣ2 ' . (2) Td = 2 ( x dΣ − xC )( x qΣ − xC ) + rΣ

Из условия равенства нулю числителя и знаменателя можно определить граничные значения емкостных сопротивлений, при которых возникает неустойчивость. Такие зоны, рассчитанные для параметров исследуемой системы, показаны на рис. 4. Для явнополюсного генератора имеются две такие зоны: I – синхронного и II – асинхронного самовозбуждения. Для неявнополюсного имеется только одна большая зона III асинхронного самовозбуждения. Очевидно, что влияние активного сопротивления проявляется в сужении области неустойчивости. Так при rΣ ≥ 0,4 самовозбуждение не возникнет, если xq < xd . Для неявнополюсной машины самовозбуждение не может наступить если rΣ ≥ 0,72 Вывод

1. Разработано программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющее в широких пределах изменения параметров элементов системы и исходных режимов осуществлять оценку статической устойчивости нерегулируемой электрической системы с учетом электромагнитных переходных процессов в роторе синхронного генератора.

Перечень ссылок

1. Веников, В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах / В.А. Веников. – Москва: ВШ. - 1985. – 536 с. 2. Куликов, Ю. А. Переходные процессы в электроэнергетических системах: учеб. Пособие / Ю.А. Куликов. – Москва: Издательство Омега-Л. - 2013. – 384 с. 3. Хрущев, Ю. В. Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах: учебное пособие / Ю.В. Хрущев, К.И. Заподовников, А.Ю. Юшков; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 154 с.

121

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62.83

РАЗРАБОТКА ДВУХКАНАЛЬНОГО РЕВЕРСИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИНВАЛИДНОЙ КОЛЯСКИ INVACARE STORM XS

Ю.Д.Романенко, Д.Н.Мирошник ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье описывается разработка двухканального, реверсивного преобразователя постоянного напряжения для двух приводных двигателей инвалидной коляски. В качестве силовых полупроводников использованы P и N канальные MOSFET, что позволяет для управления преобразователем использовать униполярную ШИМ. Ключевые слова: преобразователь постоянного напряжения, инвалидная коляска, транзистор, двигатель постоянного тока The article describes the development of a two-channel, reversible DC-DC converter for two wheelchair drive motors. Therefore, P and N channel MOSFETs are used as power semiconductors, which makes it possible to use a unipolar PWM to control the converter. Keywords: power DC converter, wheelchair, transistor, DC motor На кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» есть инвалидная коляска «INVACARE STORM XS» с установленными двумя двигателями для приведения в движение. Вся электроника к этому креслу вышла из строя, поэтому ставилась задача разработки управляемого электропривода для нее. В данной работе рассматривается разработка преобразователей энергии для двигателей инвалидного кресла (ток 14.6А). На первом этапе был выполнен обзор существующих готовых решений [1,2] для управления нагрузкой каждого из двух каналов токов 14.6 А и напряжением 12-24 В. Краткие технические характеристики некоторых преобразователей представлены в таблице 1.1. Так, например, в работе [3] предлагается использование Dual Monster Moto Shield VNH2SP30 [4]. После испытаний данного устройства установлено, что максимальное напряжение питания ограничено напряжением 19В. Следовательно, для инвалидного кресла возникает сложность в выборе источника, для получения максимальной мощности. При этом двигатель рассчитан на напряжение 24 В, тогда при использовании Dual Monster Moto Shield VNH2SP30 не возможно передать номинальную мощность в нагрузку. 122

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Кроме недостаточного напряжения питания, в ходе исследований появилась проблема с охлаждением преобразователя из-за большого потребления тока. Охлаждение микросхемы не дало эффекта, поскольку тепло передается через печатную плату. В связи с ограниченными ресурсами и сложностью приобретения преобразователей, было принято решение создать собственный двухканальный, реверсивный преобразователь постоянного напряжения. Таблица 1 – Краткие технические характеристики преобразователей Характеристики VNH5019 BTS7960 VNH2SP30-E UПИТ

5-41В

6-27.5В

5-41В

IНАГР

30A

43А

41А

FPWM

20кГц

25кГц

20кГц

Цена

9.7$

9.4$

Схема предлагаемого преобразователя (рис.1) представляет собой два однофазных моста (каналы управления), собранных с использованием мощных P- и N- канальных MOSFET транзисторов. Данный выбор схемы обусловлен использованием униполярной ШИМ, которая в сравнении с биполярной ШИМ обеспечивает лучшее качество напряжения на нагрузке [5], меньше потери коммутации полупроводников. Таким образом, верхние ключи в плечах отвечают за направление движения, а нижние за скорость. В данной схеме предусмотрена возможность управления от микроконтроллера с логикой 3В и 5В. При этом входы DIRL1 (DIRL2) и DIRR1 (DIRR2) – отвечают за направление вращения двигателя при подаче логического «0» или «1», PWM1 (PWM2) – вход ШИМ от микроконтроллера, GND – земля, +24В – положительный вывод питания, OUT_C1 и OUT_C2 – выходы датчика тока, перемычка 12В – используется при понижении питания (замкнуть при питании выше 12В, соединить клемму 2 с выводом +24В при питании 12В), OUT1, OUT2, OUT3 и OUT4 – выводы для подключения двигателей. Остальные соединения, показанные на схеме, подключены в готовом устройстве. Тестовая печатная плата (1 канал преобразования) представлена на рисунке 2.

123

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ,

Рисунок 1 – Принципиальная схема созданного драйвера на MOSFET транзисторах

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

124

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В качестве шунтов предлагается использовать 2 участка дорожки на плате (рис.2). С выхода шунта сигнал усиливается операционным усилителем AD823, собранным по схеме вычитающего усилителя со смещением.

Рисунок 2 – Тестовая печатная плата (1 канал) Особенностью схемы является наличие дополнительных диодов D1 (D4), D6 (D7) и D8 (D5) с барьером Шоттки. Диоды D6 (D7) и D8 (D5) являются защитными для верхних транзисторов при работе моста на активно-индуктивную нагрузку. Диоды D1 (D4) необходимы для восстановления цепи протекания обратного тока. Осциллограмма с демонстрацией КЗ из-за ложных открытий верхних ключей обратным током представлена на рисунке 3,а-б. Из рисунка видно, что ток короткого замыкания в момент открытия нижнего транзистора в 5 раз больше. Для подтверждения наличия подобных негативных процессов было сделано моделирование преобразователя в различных программах. Результаты моделирования преобразователя с помощью программной среды Proteus представлены на рисунке 3,в-г. Сигналы желтого и синего цвета – результаты расчета напряжения на нагрузке, а сигнал, отмеченный розовым цветом – проходящий ток через шунт. Из диаграмм видно, что дополнительные диоды действительно улучшают форму тока. Также моделирование с помощью Electronic Workbench подтвердило негативный эффект (рис.3, д-е).

125

126

в)

Рисунок 3 – Осциллограммы работы преобразователя

г) а) эксперимент с защитными дополнительными диодами б) эксперимент без защитных диодов в) моделирование PROTEUS с защитными дополнительными диодами г) эксперимент PROTEUS без защитных диодов д) моделирование WORKBENCH с защитными дополнительными диодами е) эксперимент WORKBENCH без защитных диодов

б)

а)

е)

д)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ,

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Результаты работы одного канала преобразования представлены на рисунках 4,5, что подтверждает работоспособность предложенного решения.

Рисунок 4 – Осциллограмма выходного напряжения преобразователя

Рисунок 5 – Осциллограмма выхода датчика тока под нагрузкой Выводы

В работе предложен вариант двухканального преобразователя напряжения для электропривода инвалидной коляски «Invacare Storm XS». Его особенностью является гибкий диапазон напряжений питания и управления.

Перечень ссылок

1. Серия преобразователей для ДПТ на базе микросхем VNH [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.compel.ru/series/ST/VNH3SP30. 2. Обзор преобразователя для ДПТ BTS7960 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://handsontec.com/dataspecs/module/BTS7960%20Motor%20Driver.pdf. 3. Д.А. Тихонов. Разработка системы управления электроприводом инвалидного кресла / Тихонов Д.А., Мирошник Д.Н., Розкаряка П.И. // ИПД2018, Т. 2: Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. - 2018. – сс. 115-122. - [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ipd.donntu.org/dl/IPD2018/s2.pdf. 4. Dual Monster Moto Shield VNH2SP30 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://robu.in/product/dual-monster-moto-shield-vnh2sp30-motor-driver2x14a-peak-30a/. 5. Шавелкин А. А. Силовые полупроводниковые преобразователи энергии: уч. пособие / А. А. Шавелкин; Харьков. нац. ун-т. городск. хоз-ва им. А. Н. Бекетова. – Харьков: ХНУГХ им. А.Н. Бекетова, 2015. – 403 с.

127

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ МАЛОМАСЛЯНЫХ, ЭЛЕГАЗОВЫХ И ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-10 КВ

Б.С. Белых, С.В Ковальская ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Рассмотрены основные тенденции научного развития, исследования, разработки и создания техники для управления и механизации технологических процессов, широко применяемых в электроэнергетической отрасли. Ключевые слова: эксплуатация, выключатель, элегаз, вакуум, маломасляный выключатель, напряжение The main trends of scientific development, research, development and creation of equipment for the management and mechanization of technological processes that are widely used in the electric power industry are considered. Keywords: exploitation, switch, SF6 gas, vacuum, low oil switch, electrical voltage В настоящее время для существования техногенной цивилизации, основанной на машинном производстве, совершенствовании и разработке новых машин и технических решений, прогрессивное развитие в области электроэнергетики является одной из основных задач устойчивого развития как отрасли, от которой напрямую зависят перспективы эволюционирования всех иных направлений хозяйственной деятельности человека. На сегодняшний день рынок электросилового оборудования выпускает большой спектр коммутационных аппаратов от разъединителей различного типа до выключателей. Они отличаются как материалом изготовления, так и эксплуатационной надежностью. Основные изменения в развитии энергооборудования претерпели силовые коммутационные выключатели – за счет изменения среды дугогашения. Основной задачей силовых выключателей является отключение тока короткого замыкания. Силовые выключатели предназначены для осуществления коммутации как в нормальных режимах работы, так и в аварийных. Основным показателем надежности работы электрооборудования является эксплуатационная надежность, которая определяется как

128

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

среднее время наработки до отказа оборудования или частота отказов оборудования. В работе был проведен анализ эксплуатационной надежности маломасляных [1], элегазовых [2] и вакуумных [3] выключателей для предприятий металлургии на примере выключателей напряжения 6-10 кВ следующих фирм: Shneider Electric и ООО “Таврида электрик”, ООО "ЭТЗ Селектра". Для проведения анализа выбраны выключатели номинальным напряжением 6-10 кВ с номинальным током 1600 А. В табл. 1 приведены сравнительные технические характеристики выключателей. Таблица 1 – Технические характеристики выключателей ВМП-10LF BB/TEL1600 Техническая характеристика 10-1600 масляэлегаз вакуум ный Номинальное напряжение, кВ 6-10 10 6-10 Наибольшее рабочее напряжение, кВ 12 12 16 Номинальный ток, А 1600 1600 1600 Номинальный ток отключения, кА 20 25 25-31,5 Предельный сквозной ток, кА: Начальное эффективное значение 20 64 25 периодической составляющей амплитудное значение 52 25 64 Предельный ток термической устойчи20 30 25 вости (для промежутка времени), кА (t=4 c) (t=3 c) (t=4 c) Собственное время отключения 0,1 0,015 0,048 выключателя с приводом, с, не более Время отключения (до погасания дуги) выключателя с приводом, с, 0,12 0,09 0,07 не более Собственное время включения 0,3 0,07 0,065 выключателя с приводом, с Минимальная бестоковая пауза при автоматическом повторном включе0,5 0,3 нии (АПВ), с Масса выключателя (без масла) 130…145 40 30…605 (без выкатного элемента), кг Масса масла, кг 4,5 Механический ресурс выключателя 2500 50000 50000

129

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для определения надежности необходимо проведение комплексного сравнительного анализа выключателей, включающего сравнение дугогасительной камеры, трудоемкость техобслуживания и периодичность ремонта. Расчет надежности выключателей среднего класса напряжения производится по показателю среднего времени безотказной работы выключателя. Обработка эксплуатационной информации о надежности работы выключателей на предприятиях металлургии производится по следующей схеме: наработка исходных данных для моделирования, составление выборок, подбор показателей надежности, расчет надежности, итоговый анализ показателей надежности. Сравнительный анализ приведен в табл. 2, 3, 4. Таблица 2 – Число составных частей коммутационной камеры BB/TELВМП-10Тип выключателя LF 10-1600 1600 Число составных частей коммутационной камеры

Число подвижных частей

Число подвижных частей дугогасящей камеры

Таблица 3 – Трудоемкость техобслуживания силовых выключателей BB/TELТип выключателя LF ВМП-10-1600 10-1600 Число коммутаций в режиме к.з.

30-400

10-50

текущий ремонт после 3 отключений

Число коммутаций в нормальном режиме

До 30 000

До 10 000

До 2 000

Период техобслуживания (лет)

10-15

5-10

ежегодно

Техобслуживание привода

простое

сложное

Техобслуживание полюсов

не нужно

сложное

130

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 4 – Периодичность ремонта выключателей Выключатели Периодичность Периодичтекущего ремонта, ность капремесяц монта, лет Масляные ВМП-10: вводные, секционные

6-8

отходящих фидеров

6-8

1 раз в 2 года или каждые 10000 операций

4-8

Вакуумные BB/TEL-10-1600 Элегазовые LF

Выводы

Сравнительный анализ надежности силовых выключателей 6-10 кВ по показателю среднего времени безотказной работы выключателя показал: 1. Механическая долговечность, определяемая числом коммутационных циклов значительно выше у вакуумных выключателей по сравнению с элегазовыми и масляными выключателями. 2.Эксплуатационная долговечность, определяемая трудоемкостью технического обслуживания и ремонта, у вакуумных выключателей выше, чем у масляных и элегазовых выключателей. 3. Для металлургических предприятий характерно отключение силовым выключателем значительных нагрузок, что наиболее эффективно обеспечивают вакуумные выключатели. 4. Периодичность ремонтов коммутационных агрегатов в виде высоковольтных выключателей осуществляется ежегодно согласно графика ППР, а так как вакуумные выключатели не требуют во время проведения ППР осуществлять ремонт полисов, следовательно, сокращается время проведения ремонта и сокращения трудозатрат. 5. Периодичность технического обслуживания выключателей на металлургических и горнодобывающих предприятиях значительно выше (приблизительно в 10 раз) по сравнению с выключателями сетевых организаций, что предъявляет повышенные требования к их надежности. Отсюда следует, что вакуумные выключатели по всем направлениям опережают другие типы выключателей

Перечень ссылок

1. Технические характеристики масляных выключателей ВМП-10-1600А [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.epromstroy.ru/maslyanyevyklyuchateli/maslyanye-vyklyuchateli_17.html. 2. Технические характеристики элегазовых выключателей [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.elec.ru/library/manuals/elegazovye-vyklyuchateliserii-lf-6-10-kv.html. 3. Технические характеристики вакуумных выключателей [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://tavrida-ua.com/products/vacuumswitch.html.

131

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПЛАТЫ ЗА ПОТРЕБЛЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЮ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

С.В. Колесов, Д.С. Щёголев, Д.В. Полковниченко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», В работе проведен анализ методов оплаты за потребление и генерацию реактивной мощности в различных странах мира. Проведены исследования действующей в ДНР методики оплаты. Ключевые слова: реактивная мощность, активная мощность, коэффициент мощности, методика, оплата, экономический эквивалент. The paper analyzes methods of payment for the consumption and generation of reactive power in various countries of the world. Research has been conducted on the current payment method in the DPR. Keywords: reactive power, active power, power factor, method, payment, economic equivalent. Передача активной электроэнергии, которая преобразуется в электроприемниках в полезную: механическую, тепловую и другие виды энергии, является основной задачей электрических сетей. Однако физические процессы в цепях переменного тока, связанные с созданием магнитных полей, которые необходимы для преобразования и потребления электроэнергии, требуют передачи реактивной электроэнергии. Потребителями реактивной мощности (РМ), необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии, которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе РМ приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п. [1]. Передача РМ приводит к дополнительным потерям активной мощности и падению напряжения в элементах электрической сети,

132

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

которые также зависят от параметров, схемы и режима работы сети [2]: P⋅R+Q⋅ X P2 + Q2 , R; ∆U = ∆P = 2 U U где ΔP, ΔU – потеря активной мощности и падение напряжения в элементе электрической сети соответственно; P, Q – величина активной и реактивной мощностей, протекающих через элемент электрической сети, соответственно; R, X – величина активного и реактивного сопротивлений элемента электрической сети соответственно; U – напряжение в узле электрической сети. Это также приводит к необходимости компенсации потерь дополнительной генерацией активной мощности на электростанциях, к ухудшению показателей качества электрической энергии, к снижению пропускной способности ЛЭП и запаса статической устойчивости. Показателями, характеризующими потребление РМ, являются: - коэффициент РМ цепи, определяемый как отношение реактивной мощности к активной: Q tgϕ = ; P - коэффициент мощности цепи, который определяется как косинус угла сдвига между током и напряжением нагрузки: P P cos ϕ = = , 3 ⋅U ⋅ I S где I, S – соответственно ток и полная мощность, протекающие через элемент электрической сети. Как видно, основное влияние на величину РМ в электрических сетях оказывает характер нагрузки, то есть характеристики электроустановок, присоединенных к электрическим сетям энергосистемы. Энергопоставляющие компании несут убытки и риски, возникающие из-за потребителей. Вследствие этого стоит задача разграничения зон ответственности за реактивную составляющую мощности между распределительными сетевыми компаниями и потребителями. Снижение указанных выше негативных последствий от перетока РМ через электрическую сеть возможно при использовании различного рода компенсирующих устройств (КУ), которые являются источниками РМ и устанавливаются вблизи мест ее потребления. По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. РМ наряду с активной

133

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а, следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию. При этом компенсация РМ, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии [3]. Стимулирование промышленных потребителей к поддержанию оптимального для энергосистемы коэффициента РМ было введено еще в 30-х годах прошлого века, во времена интенсивной индустриализации. Была разработана гибкая система скидок и надбавок к тарифу на электроэнергию. Основной целью снижения величины РМ тогда было стремление к минимизации расходов на строительство электрических сетей. То есть, снизив величину РМ, можно было сэкономить на сечении проводов и уменьшении мощности трансформаторов [4]. До 1974 г. на территории Советского Союза критерием степени компенсации РМ считался средневзвешенный коэффициент РМ cosφ. Экономические рычаги влияния электропередающих организаций на потребителей электрической энергии оказывали содействие широкому внедрению КУ. Как следствие, средневзвешенный коэффициент мощности по стране возрос с 0,75 в 1947 г. до 0,93 в 1974 г. Но учитывая несовершенство действующих к тому времени нормативных документов большинство КУ, которые тогда использовались, были нерегулируемыми. Это обуславливалось тем, что потребители электрической энергии рассчитывались с электропередающими организациями за средневзвешенное значение коэффициента РМ cosφ и были заинтересованными в том, чтобы КУ были включенными весь расчетный период. В результате неотключения КУ во время минимума активных нагрузок (особенно в ночные часы) в энергосистеме частым явлением стало постоянная перекомпенсация реактивной энергии, что сказывалось на росте потерь электрической энергии и усложнению процессов регулирования напряжения в энергосистеме. С 1974 г. вступил в силу новый нормативный документ ("Указания по компенсации РМ в распределительных сетях"), согласно которому показателем степени компенсации РМ была принята РМ во времена максимума энергосистемы, которая разрешалась для использования. Эта РМ задавалась каждому потребителю, на которого распространялось действие этого нормативного документа, как оптимальная степень компенсации, предопределяемая технико-экономическим эффектом в сетях как потребителя, так и энергосистемы. Этот нормативный документ оказывал содействие более широкому внедрению регулируемых КУ.

134

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Переход к рыночным отношениям и возможность использования компьютерной техники в процессе учета и выполнения расчетов потребленной/отпущенной электроэнергии обусловили внедрение в Украине с 1998 г. "Методики расчетов платы за переток реактивной электроэнергии между энергоснабжающей организацией и ее потребителями", а в 2002 г. (новая редакция в 2018 г.) - "Методики исчисления платы за переток реактивной электроэнергии" (далее - Методика) [5], которая и является на данный момент основным действующим нормативным документом по этому вопросу обязательным к выполнению соответствующим персоналом электропередающих организаций всех форм собственности, потребителей электроэнергии, проектных и научно-исследовательских организаций соответствующего профиля. В России система скидок и надбавок с течением времени претерпевала свои изменения, равно как и менялись нормы на оптимальный коэффициент реактивной мощности. Последняя редакция «Правил применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной энергии» была утверждена в декабре 1997 года, а спустя три года она же была отменена приказом Минэнерго от 10.01.2000 г. № 2. Это привело к возрастанию потоков РМ в линиях электропередачи и значительному росту потерь электроэнергии в электрических сетях, возникновению дефицита РМ в узлах нагрузки и, как следствие, снижению напряжения на шинах подстанций распределительных электрических сетей, увеличению до предельно допустимых значений токов полной нагрузки линий электропередачи и трансформаторных подстанций и ограничению их пропускной способности по активной мощности из–за необоснованной их загрузки РМ. 31.08.2006 г. вышло постановление Правительства РФ №530, которым утверждены изменения «Правил недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг» [6]. Согласно вышеуказанным правилам потребители электрической энергии должны соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности, определенной в договоре в соответствии с порядком, утвержденным Минтопэнерго России. А согласно приказу от 23.07.2015г. №380 «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии» были определены предельные значения коэффициента РМ для потребителей, присоединенных к сетям напряжением ниже 220 кВ [7].

135

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

При оплате за пользование электроэнергией предусмотрены скидки и надбавки к тарифу за высокий и низкий коэффициент мощности. В соответствии с Прейскурантом № 09–01 «Тарифы на электрическую и тепловую энергию» потребитель оплачивает потребление реактивной энергии в часы больших нагрузок и генерацию РМ в часы малых нагрузок электрической сети [8]. Если в соответствии с режимами работы сети энергосистемы последней выгодно получать от потребителя реактивную энергию в часы больших нагрузок сети или обеспечить ее потребление в часы малых нагрузок, то энергосистема оплачивает эту энергию в виде скидки с тарифа. В некоторых странах Евросоюза взимается плата за реактивную энергию. Тарифные ставки взимаются за каждый Мвар·ч измеренной реактивной энергии или только при определенных условиях. Существует две модели расчета начислений за реактивную энергию: - реактивный тариф: стандартная тарифная ставка применяется к каждому МВар·ч произведенной и/или потребленной реактивной энергии (например, Болгария, Хорватия, Норвегия, Щвейцария и др.); - пеня: произведенная и/или потребленная реактивная энергия оплачивается только при определенных условиях, например: избыток отобранной или поданной энергии в течение определенного периода, либо чрезмерные уровни cosφ или tgφ (например, Франция, Бельгия, Финляндия, Италия и др.). В ряде стран (например, Португалия, Румыния, Сербия) действуют одновременно обе модели. А в некоторых странах Европы плата за реактивную энергию не взимается (например, Австрия, Великобритания, Чехия, Швеция, Греция) [9]. На территории ДНР в настоящее время действует Методика [5], которая устанавливает методологию исчисления платы за переток реактивной электроэнергии между электропередающей организацией (ЭО) и ее потребителями, как плату за вынужденные услуги, которые ЭО вынуждена предоставлять потребителю, если он эксплуатирует электромагнитно несбалансированные электроустановки, и применяется для адресного экономического стимулирования инициативы потребителя к внедрению технологических мер по решению вопросов относительно компенсации перетоков реактивной электроэнергии. Эта Методика устанавливает порядок расчета и анализа режимов технологических сетей ЭО и потребителей для определения экономических эквивалентов РМ (ЭЭРМ), определения потерь реактивной электроэнергии и составления баланса реактивной электроэнергии. ЭЭРМ (D) является узловой режимной и технико-экономической характеристикой электрических сетей, которые питают потребителя.

136

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ЭЭРМ пропорциональный к доле суммарных потерь активной мощности в сетях ЭО, которые вызваны перетоком РМ потребителя (адресные потери). ЭЭРМ характеризует отклонение режима потребителя по РМ от оптимального и определяет электрическую удаленность точек учета на границе балансовой принадлежности (ГБП) потребителя от центров питания. ЭЭРМ в общем случае определяется как сумма двух составляющих: D = D1 + D2, где D1- первая составляющая ЭЭРМ, которая характеризует долу влияния реактивного перетока через ГБП ЭО и потребителя в расчетном режиме на технико-экономические показатели в магистральной сети ЭЭС, кВт/квар; D2 - вторая составляющая ЭЭРМ, которая характеризует долю влияния реактивного перетока через ГБП ЭО и потребителя в расчетном режиме на технико-экономические показатели в распределительной сети ЭО, кВт/квар. ЭЭРМ (D) исчисляется по расчетным схемам электрических сетей характерного режима, которые предоставляются соответствующими диспетчерскими службами энергосистем, ЭО и их районов (филиалов) электрических сетей. Расчеты ЭЭРМ проводят до точек учета на ГБП электрических сетей потребителей и ЭО. ЭЭРМ исчисляется, согласно метода численного дифференцирования: ∆PS(1) − ∆PS( 2) d∆PS , Di = = ∆Qi dQi где ∆PS(1) , ∆PS( 2) - суммарные потери активной мощности в расчетной схеме для двух сопредельных режимов, с реактивной нагрузкой соответственно Qі и Qі +ΔQі; d∆PS - частная производная суммарных потерь активной мощdQi ности по реактивной мощности і-го узла; ΔQі - малый шаг численного дифференцирования. Коэффициент ЭЭРМ является определяющим в основной плате за потребление и генерацию реактивной энергии [5]. Основная плата, а, следовательно, и общая плата за потребление и генерацию реактивной электроэнергии, напрямую зависят от ЭЭРМ. Проведенные исследования показали, что ЭЭРМ: - значительно зависит от выбранной схемы и характерного режима работы энергосистемы;

137

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

- для потребителей подключенных к одному узлу на ГБП будет одинаковый даже при различном потреблении РМ; - зависит от величины напряжения в узлах энергосистемы, которая зависит от режима работы и управления им (например, изменение положения РПН трансформатора); - тем выше, чем больше расстояние от источника до потребителя (при том же потреблении РМ); - зависит от величины перетоков РМ, зависящей от всех потребителей в схеме до источника питания. Выводы

1. Механизмы оплаты за потребление РМ в разных странах сильно отличаются. Они зависят от структуры электроэнергетики и промышленности, а также от общей экономической ситуации в стране. 2. Действующая в настоящее время в ДНР методика имеет целый ряд недостатков, что не позволяет производить обоснованные расчеты с потребителями РМ.

Перечень ссылок

1. Теория реактивной мощности [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.nucon.ru/reactive-power/theory-of-reactive-power.php. 2. Идельчик В.И.Электрические системы и сети / Идельчик В.И.— М.: Энергоатомиздат, 1989. – 592 с. 3. Для чего нужна компенсация реактивной мощности [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://electricalschool.info/main/elsnabg/14-dlja-chego-nuzhnakompensacija.html. 4. Компенсация реактивной мощности - проблема энергосистемы и потребителя [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.energosovet.ru/stat389.html. 5. Методика обчислення плати за перетікання реактивної електроенергії. Наказ Міністерства палива та енергетики України від 17 січня 2002 року № 19. Зареєстровано в Міністерстві юстиції України 1 лютого 2002 р. за № 93/6381. 6. Постановление Правительства РФ № 530 от 31.08.2006 «Правила недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг». 7. Приказ Министерства энергетики Российской федерации от 23.06.2015 № 380 «О порядке расчета значений соотношений потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств(групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии». 8. Прейскурант № 09–01 «Тарифы на электрическую и тепловую энергию». 9. Хосе-Карлос Фернандез, Анджей Бартошик, Паула Альмейда. ENTSOE Европейское сообщество операторов магистральных сетей в области электроэнергетики. Обобщенный обзор тарифов на передачу электроэнергии в Европе, 2014 г.

138

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 681.2-5

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ АНТРОПОМОРФНОГО РОБОТА В СРЕДЕ MATLAB В.А. Смоленский, П.И. Розкаряка ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье представлена математическая модель двуногого шагающего робота в среде MATLAB. Полученная модель позволяет определять устойчивые положения робота под воздействием гравитации, а также получать значения обобщенных координат в каждой точке заданной траектории. Ключевые слова: моделирование, педипулятор, Matlab, кинематика, бипед This article presents the mathematical model of biped walking robot was developed in Matlab environment. This model allows to define stable robot positions in terms of gravity influence as well as estimate generalized coordinate values at any given point of desired trajectory. Keywords: modeling, pedipulator, Matlab, kinematics, biped. Целью данной статьи является создание математической модели антропоморфного робота, которая позволят визуализировать перемещения робота с учетом воздействия сил гравитации и контактных поверхностей на конструкцию. Модель дает возможность получить конечные углы поворотов в зависимости от заданной траектории. Для создания антропоморфного робота нужны актуаторы, способные воспроизводить перемещения, подобные человеческим. Мышцы – это природные, биологические актуаторы, первым приближением которых могут выступать механизмы, генерирующие поступательные движения, которые будут трансформироваться во вращательные при помощи суставов. При конструировании антропоморфных роботов такое усложнение конструкции непрактично, поэтому целесообразно использовать вращательное движение, полученное непосредственно с вала двигателя или редуктора. Данное решение создает сложность при конструировании, т.к., геометрически, для большинства суставов человека оси вращения находятся очень близко друг к другу. Добиться такой компоновки при использовании электродвигателей невозможно. Объем сустава увеличивается в пространстве, что сказывается как на математическом описании, так и на кинематике робота в целом.

139

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Человеческий скелет (нижних конечностей) состоит из множества компонентов, и приводится в движение при помощи десятков различных мышц. Аппаратная реализация системы такой сложности имела бы большие размеры и массу, что недопустимо для шагающих роботов. В таком случае необходимо уменьшать количество степеней свободы. Для проектов BIP2000 [1], LOLA [2], KHR-2 [3], iCub [4], NAO [5] число степеней свободы изменялось между 12 до 24. Если предположить, что робот будет перемещаться только вдоль одной координатной оси (из трёх возможных), то необходимо всего шесть степеней свободы для реализации таких перемещений. Каждая конечность будет иметь три степени свободы, соответствующие бедру, колену и лодыжке. Данная конфигурация кинематики может обеспечить подъем и перестановку ноги в плоскости, параллельной сагиттальной. Чтобы совершать поворот, роботу необходимо предоставить возможность вращать ногу вокруг своей оси, перпендикулярной горизонтальной плоскости. По этой причине добавляется еще одна степень свободы для бедренного сустава. При ходьбе человек постоянно смещается и корректирует свой центр тяжести, таким образом сохраняя равновесие. Для обеспечения такой возможности необходимо вводить еще одну степень свободы бедренного сустава, позволяющую отклонять всю ногу в плоскости, параллельной корональной. Любое отклонение бедра нужно компенсировать отклонением стопы, иначе робот потеряет устойчивость. Исходя из этого, нужно добавить еще две степени свободы к уже имеющимся четырем. Всего для имитации человекоподобных перемещений предлагается использовать двенадцать степеней свободы нижних конечностей. Для создания математической модели необходимы точные размеры использующихся деталей и их массо-центровочные характеристики. Получить такие параметры можно при использовании современных САПР, которые позволяются создать трёхмерные детали. Визуализация создается на основе тех же трёхмерных моделей, перенесенных в среду MATLAB. Внешний вид предложенной конструкции показан на рис. 1. Для математического описания кинематики робота используются матрицы гомогенного преобразования, которые отображают положение и ориентацию декартовых координатных осей в пространстве. Для описания поворота одной координатной оси относительно другой существуют три наиболее распространенных (типичных) случая: поворот вокруг оси X, поворот вокруг оси Y, поворот вокруг оси Z. Для математического описания используется матрица поворота размером 3х3 формулы (1-3). 140

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 1 — Робот в Autodesk Fusion 360 0 1 = rx 0 cosθ  0 sin θ  cosθ 0 ry =  0 1   − sin θ 0

141

0  − sin θ  ,  cosθ  sin θ  0 ,  cosθ 

(1)

(2)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

cosθ − sin θ 0  rz =  sin θ cosθ 0  , (3)    0 0 1  где θ – угол поворота по оси степени свободы. Для описания положения в пространстве используются только три координаты. Вектор, определяющий положение, можно записать таким образом: p = [ x y z] , (4) где x, y, z – перемещение вдоль оси X, Y, Z соответственно. После чего следует объединить матрицу поворота (3х3) с вектором столбцом матрицы преобразования (3х1) и увеличить размерность для полученной структуры (3х4):  rn pnT  Tn =  (5) , 0 0 0 1   где n – номер системы координат. При последовательном перемножении матриц преобразования каждого звена можно получить координаты рабочего органа. Для двуногого робота невозможно выделить один рабочий орган. Будем рассматривать каждую конечность по отдельности, где совершенно точно можно назвать одну из конечных точек рабочим органом. Всего робота предлагается описывать как комбинацию двух звеньев (ног), соединенных неподвижно относительно друг друга. Кинематическая цепочка от начальной точки до конечной будет описываться уравнением: (6) T71 = T10T21T32T43T54T65T76 , где T – матрица гомогенного преобразования. В готовые матрицы однородного преобразования подставляются реальные геометрические размеры, полученные в САПР (рис. 2). Визуализация кинематической цепочки представлена на рис. 3. Для создания модели использовался пакет MATLAB и его библиотека Simulink. Используя блоки Rigid transform, можно воссоздать кинематику робота таким образом, чтобы появилась возможность прикреплять к нему твердые тела и перемещать его в пространстве. Моделирование степеней свободы осуществляется при помощи блока Revolute joint, который представляет собой вращательную степень свободы. Определенные сложности возникают при симуляции контакта с опорной поверхностью, т.к этот процесс очень требователен к аппаратным возможностям компьютера.

142

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Размеры полученной конструкции 143

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 3 – Кинематическая схема робота Одним из простых способов создания модели опорной поверхности является использование некоторого количества точек на её внешнем периметре (рис. 4). Чем больше количество точек, тем качественнее (и дольше) будет проходить процесс моделирования. Для симуляции контактной точки используется блок Sphere To Plane Contact Force [6]. Чтобы привести робота в движение, необходимо подать задающее воздействие в блоки Revolute joint, точное значение которого можно получить при помощи решения обратной задачи кинематики [7]. Алгоритм поиска углов поворота изображен на рис. 5. Для решения обратной задачи кинематики в пакете MATLAB удобно использовать функцию fsolve, которая находит решение системы нелинейных уравнений [8]. В данной работе считается, что траектория движения рабочего органа известна заранее (по крайней мере для отдельного участка). Таким образом, существует набор точек в пространстве, для которых необходимо решить задачу обратной кинематики. 144

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 4 – Расположение контактных точек на стопе робота Желаемые координаты

Пока точность не достигнута

Расчет приращения шага

Расчет прямой кинематики

Начальные услвоия

Координаты данного шага

Рисунок 5 – Алгоритм расчета обратной кинематики

145

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

После настройки всех параметров модели Simulink оценить полученный результат можно при помощи Mechanical Explorer. Рис. 6 и 7 покадрово иллюстрируют перемещения робота в среде MATLAB (цифра в левом верхнем углу соответствует порядковому номеру кадра).

Рисунок 6 – Визуализация движений в MATLAB

146

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 7 – Визуализация движения в MATLAB Выводы

В ходе данной работы была создана математическая модель двуногого шагающего робота в среде MATLAB. При моделировании использовались реальные геометрические размеры и массо-центровочные характеристики деталей. Полученная модель позволяет определять устойчивые положения робота под воздействием гравитации (визуализировать перемещения в целом), а также получать углы поворота степеней свободы в зависимости от заданной траектории.

147

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 8 – Внешний вид собранного робота 148

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок

1. Espiau, B.; Sardain, P. The anthropomorphic biped robot BIP2000. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, San Francisco, CA, USA, 24–28 April 2000; Volume 4, pp. 3996–4001. 2. S. Lohmeier, T. Buschmann, H. Ulbrich, System design and control of anthropomorphic walking robot LOLA. IEEE/ASME Trans. Mechatron. 14(6), 658–666 (2009) 3. I.W. Park, J.Y. Kim, S.W. Park, J.H. Oh, Development of humanoid robot platform KHR-2(KAIST humanoid robot-2). Int. J. Humanoid Rob. 2(4), 519–536 (2005), 12 4. A. Parmiggiani, M. Maggiali, L. Natale, F. Nori, A. Schmitz, N. Tsagarakis, J.S.V. Victor, F. Becchi, G. Sandinig, G. Metta, The design of the iCub humanoid robot. Int. J. Humanoid Rob. 09(04), 1250,027 (2012). https://doi.org/10.1142/S0219843612500272 5. D. Gouaillier, V. Hugel, P. Blazevic, C. Kilner, J. Monceaux, P. Lafourcade, et al., Mechatronic design of NAO humanoid, in Robotic and Automation ICRA 09 (IEEE, Kobe, 2009), pp. 769–774 6. MATLAB MathWorks Simulink Multibody Contact Forces Library [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://uk.mathworks.com/matlabcentral/ fileexchange/47417-simscape-multibody-contact-forces-library 7. S. Kajita, F. Kanehiro, K. Kanzko, K. Fujiwara, K. Harada, K. Yokoi, et al., Biped walking pattern generation by using preview control of zero-moment point, Robotics and Automation (ICRA2003) (IEEE, Taipei, 2003), pp. 1620–1626 8. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Системы программного управления робототехническими комплексами» (для студентов направления подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» магистерской программы «Электромеханические системы автоматизации и электропривод») / Сост.: Д.В. Бажутин. – Донецк: ДОННТУ, 2017. – 31 с.

149

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АРВ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО ТИПА

А.М. Ларин, И.И. Ларина, А.Е. Грицаенко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Разработано программное обеспечение в среде MathCAD для оценки статической устойчивости электрических систем с генераторами, оснащенными автоматическими регуляторами возбуждения пропорционального типа, методом малых колебаний. Ключевые слова: электрическая система, статическая устойчивость, метод малых колебаний, регулятор, возбуждение Software was developed in the MathCAD environment for estimating the static stability of electrical systems with generators equipped with automatic proportional-type excitation regulators using the smalloscillation method. Keywords: electrical system, static stability, small-oscillation method, regulator, excitation Требование повышения качества обучения в ДНР, необходимость интеграции в Российскую и мировую системы образования с одной стороны, усиление роли самостоятельной деятельности студентов и внедрение дистанционного обучения с другой, вызывают необходимость в разработке новых высокоэффективных методов и приемов обучения, внедрения современных компьютерных технологий. В этих условиях особенно актуальной становится задача создания электронных автоматизированных обучающих программ. В настоящее время разработаны мультимедийные программные оболочки, с помощью которых можно создавать обучающие комплексы [1]. Однако такие средства затруднительно использовать для создания электронных модулей, предназначенных для исследования установившихся и переходных режимов электроэнергетических систем (ЭЭС), требующих выполнения расчетных процедур, связанных с решением дифференциальных уравнений, действиями с матрицами и др. и, следовательно, содержащих формульный материал, специфические рисунки, векторные диаграммы, осциллограммы. Поэтому создание специальных электронных пособий для исследования режимов электрических систем является актуальной

150

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

задачей. В современных условиях работы ЭЭС выполнение заданных нормативов статической устойчивости требует существенного повышения эффективности автоматического управления нормальным режимом работы электрических станций и подстанций. Управление ЭЭС должно обеспечивать необходимые воздействия и регулирование процессов при всевозможных режимах их работы. К устройствам автоматического регулирования режима энергосистемы по напряжению и реактивной мощности, в первую очередь, относятся автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) генераторов. В настоящее время все генераторы ЭЭС снабжены АРВ пропорционального или сильного действия. Поэтому оценивать статическую устойчивость (СУ) электрических систем необходимо с учетом их действия. Целью настоящей работы является разработка расчетного модуля программного обеспечения (ПО) и исследование на его основе статической устойчивости электрических систем с генераторами, снабженными АРВ пропорционального типа. Методика исследований заключается в определении области параметров настройки АРВ пропорционального типа для предотвращения нарушения статической устойчивости простейшей ЭЭС, схема которой показана на рис. 1.

Рисунок 1 - Схема простейшей ЭЭС c АРВ пропорционального типа Изучение поведения системы в установившемся режиме основано на применения метода малых колебаний, в соответствии с которым анализируются корни характеристического уравнения [2] (1) a0 p 4 + a1 p 3 + (a 2 + KU ∆ 2 ) p 2 + a3 p + (a 4 + KU ∆ 4 ) = 0 . Коэффициенты в (1) определяются следующими соотношениями: a0 = Td' T j Te ; a1 = T j (Td' + Te ) ; a 2 = T j + Td' Te c 2 (δ 0 ) ; a3 = Td' c 2 (δ 0 ) + Te c1 (δ 0 ) ; a 4 = c1 (δ 0 ) ; ∆ 2 = T j

151

b1 ; ∆ 4 = c 3 (δ 0 ) , b2

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

где

b1 =

 ∂PEq с1 (δ 0 ) =   ∂δ  ∂PEq ∂E q

; b2 =

∂PE '

∂E q'

  ;   δ0

 ∂PEq'  с 2 (δ 0 ) =  ∂δ 

  ;   δ0

 ∂PU g с3 (δ 0 ) =   ∂δ 

  ;   δ0

В характеристическом уравнении (1) есть коэффициенты a0 , a1 , a 2 , a3 , a 4 , не зависящие от регулирования возбуждения, и коэффициенты KU ∆ 2 и KU ∆ 4 , которые являются математическим отображением воздействия АРВ. Анализ заключается как в непосредственном вычислени корней с помощью вычислительных возможностей системы MathCAD, так и путем применения косвенных критериев, позволяющих сформулировать необходимые и достаточные условия СУ, без вычисления самих корней. В работе для этих целей использовались алгебраический критерий Гурвица и частотные: Михайлова и Dразбиения [2, 3]. Вычисление производных c1 , c 2 , c3 и b1 , b2 , определяемых значения коэффициентов характеристического уравнения, находились с помощью вычислительных возможностей системы MathCAD. Это позволяет исключить возможные ошибки при осуществлении процедуры предварительного дифференцирования соответствующих достаточно сложных выражений для угловых характеристик мощности. Известно, что критерии Гувица и Михайлова позволяют для заданного режима системы оценить ее поведение при малых возмущениях. Изменение исходного режима или параметров настройки АРВ требует повторного применения указанных критериев. Возможности пакета MathCAD позволяют формировать всю область устойчивой работы системы. В ПО для этого предусмотрено создание анимационных файлов, отражающих характер переходных процессов для всей области допустимых по условиям СУ параметров. Рассмотрим необходимые условия положительности всех коэффициентов уравнения (1). При Te = 0 и KU = 0 имеем нерегулируемую систему. В этом случае все коэффициенты будут положительными, если c1 > 0 , т.е. δ 0 < 90 o . Это и есть критерий устойчивости системы для рассматриваемого случая. Его невыполнение приведет к возникновению неустойчивости апериодического типа. 152

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рассмотрим возможность устойчивой работы системы в области углов больших, чем 900. В этом случае имеем a 4 = c1 < 0 . Однако, коэффициент a 4 не определяет знака всего свободного члена характеристического уравнения. Необходимо, чтобы выполнялось условие a 4 + KU ∆ 4 > 0 . Исходя из этого можно определить минимально необходимый коэффициент усиления АРВ: a c (2) KU min ≥ − 4 = − 1 . ∆4 ∆4 Это означает, что введение пропорционального регулирования по напряжению может устранить нарушение устойчивости в области углов δ > 90 0 при обеспечении на регуляторе минимально необходимого коэффициента усиления. Из условия положительности определителя Гурвица можно найти наибольшее допустимое значение коэффициента усиления: x d − x d' . (3) K max ≤ ' xd На рис.2 для параметров исследуемой системы приведены результаты определения предельных значений коэффициента усиления KU для устойчивой работы с углом δ = 95,7 0 при условии отсутствия запаздывания в регулировании ( Te = 0 ).

а)

б)

в)

Рисунок 2 – Предельные значения коэффициента усиления АРВ при Te = 0 Из анализа полученных результатов (рис. 2а) следует, что K U min (δ 0 ) = 0,333 , а максимально допустимый, не зависящий при Te = 0 от исходного угла, K U max = 1,855 .

153

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Если эти условия не будут выполнены, то в первом случае в системе возникнет апериодическая неустойчивость (рис.2б), а во втором – колебательная (самораскачивание, рис.2в). Коэффицент усиления K U = 1,855 , не позволяет обеспечить устойчивого однозначного распределения реактивной мощности между генераторами [2]. Следовательно, необходимо увеличивать максимально допустимый коэффициент усиления. Этого можно добиться, вводя задержку в регулирование, т.е. увеличивая постоянную времени Te . На рис. 3 показаны результаты исследования влияния Te на максимально допустимые значения K U max при работе системы с δ = 95,7 0 .

Зависимости K U = f (δ)

Выделение областей устойчивости

Рисунок 3 – Влияние постоянной времени Te на предельные значения K U max

1 – минимально необходимый коэффициент усиления при δ 0 = 95,7 o ; 2 – максимально допустимый коэффициент при Te = 0 ; 3 – то же при Te = 0,5 c ; 4 – то же при Te = 1,0 c На этом же рис.3 в соответствии с методом D-разбиения выделены области всех допустимых коэффициентов усиления. Из анализа зависимостей KU = f (δ) следует, что K U max тем мньше, чем больше угол в исходном режиме. Видно так же, что с увеличением Te уменьшается угол, при котором система будет обладать СУ. Для заданного исходного угла можно определить K U max для различных значений Te . Применение D-разбиения позволяет определить всю область K U для соответствующих значений Te .

154

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

1. Разработано программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющее в широких пределах изменения параметров элементов системы и исходных режимов осуществлять оценку статической устойчивости электрической системы с генераторами, снабженными АРВ пропорционального действия.

Перечень ссылок

1. Князева, Г. В. Применение мультимедийных технологий в образовательных учреждениях / Г.В. Князева. – Вестник ВУиТ. – 2010, № 16 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http//cyberleninka.ru/article/n/primeneniemultimediynyh-tehnologiy-v-obrazovatelnyh-uchrezhdeniyah1. 2. Веников, В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах / В.А. Веников. – Москва: ВШ. - 1985. – 536 с. 3. Куликов, Ю. А. Переходные процессы в электроэнергетических системах: учеб. Пособие / Ю.А. Куликов. – Москва: Издательство Омега-Л. - 2013. – 384 с.

155

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПЕРЕТОКОВ МОЩНОСТИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

С.А. Гришанов, Э.В. Клемешов ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье выполнен анализ существующих задач оптимизации в электроэнергетике. Разработано программное обеспечение для решения транспортных задач с использованием среды разработки DELPHI. Ключевые слова: оптимизация, программное обеспечение, транспортные задачи, DELPHI. The article analyzes the existing optimization problems in power engineering industry. Software for solving transport problems using the DELPHI development environment has been developed. Keywords: optimization, software, transport problems, DELPHI. Актуальность. В настоящее время энергетика стран постсоветского пространства испытывает большие трудности, поэтому правильное проектирование электрических сетей и выбор установившихся режимов с наименьшими потерями электроэнергии весьма актуально [1]. В связи с этим большое значение имеют вопросы, связанные с развитием и совершенствованием автоматизированных систем проектирования и управления энергетикой различных уровней. Однако удельный вес задач оптимизации, решаемых с помощью этих систем, весьма незначительный, хотя именно из их постановки и решения можно извлечь значительный технико-экономический эффект. Одним из перспективных направлений в области оптимизации в электроэнергетических сетях являются пути усовершенствования систем эксплуатации и оптимизации схем распределительных сетей, в основу которого положены задача линейного программирования и ее модификации – такие как транспортная задача [2]. Известно, что транспортная задача – это задача, связанная с нахождением таких путей доставки готового продукта от пунктов производства к пунктам потребления, при которых общая стоимость транспортировки будет оптимальной [3]. Несомненно, что такая

156

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

математическая модель этой задачи может быть использована и в электроэнергетике, где под продуктом следует понимать электрическую мощность, передаваемую от источников энергии к потребителям по линиям электропередач. В качестве потребителей электроэнергии выступают как городские, так и сельскохозяйственные, промышленные предприятия как краевого, так и районного подчинения, включая промышленных, сельскохозяйственных и индивидуальных потребителей. В общем случае оптимизации подлежать затраты на формирование (проектирование) схемы электрической сети [3-5], которая состоит из линий электропередачи, связывающей узлы источников электроэнергии и узлы ее потребителей. В настоящее время на базе использования математической модели транспортной задачи решено достаточно много задач электроэнергетики как в части оптимизации схем электроэнергетической сети, так и в части нахождения оптимального пути ее транспортировки, а также в области проектирования возможного варианта расположения узлов и варианта сооружения линий электропередач. Целью данной работы является разработка программного обеспечения направленного на применения методов линейного программирования для оптимизации перетоков мощности в распределительных сетях. Реализация. В данной работе предложено реализовать транспортную задачу и ее модификации, как последующее приложение к решению задачи оптимизации перетоков мощности в распределительных сетях. Эти транспортные задачи охватывают весь круг типовых задач линейной оптимизации, распространенных в электроэнергетике. В качестве инструментария для реализации поставленной задачи было выбрана среда разработки DELPHI 7. Алгоритмы необходимых для оптимизации методов реализованы в форме отдельных процедур, вызов которых осуществляется в основной программе. При необходимости можно расширить круг задач. Для этого достаточно написать процедуру метода (типовой задачи) на языке DELPHI по аналогии с реализованными процедурами, и добавить в соответствующее место в основную программу вызов этой новой процедуры при незначительном изменении интерфейса. Реализованный программный комплекс для решения транспортных задач состоит из трех частей. Первая часть включает решение обычной транспортной задачи, вторая часть - это решение

157

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

задач с транзитом, а третья - это задача с ограничениями. На рис. 1-2 приведены экране формы реализации метода потенциалов для решения транспортных задач.

Рисунок 1 - Отображение начальной транспортной таблицы, и применение метода потенциалов для решения транспортной задачи

Рисунок 2 - Отображение оптимальной конфигурации сети

158

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

В работе было реализовано решение типовых задач линейного программирования, а именно транспортной задачи и ее модификаций. Предложенное решение позволит визуализировать процесс получения оптимальной конфигурации распределительной электрической сети и оптимизировать потокораспределение в полученной схеме сети.

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. Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах: учебное пособие. 3-е издание / И.Л. Акулич. – СПб.: «Лань», 2011. – 352 с. 3. Костин, В. Н. Оптимизационные задачи электроэнергетики : учеб. пособие / В. Н. Костин. – Санкт-Петербург : СЗТУ, 2003. – 120 с. 4. Аввакумов, В. Г. Постановка и решение электроэнергетических задач исследования операций / В. Г. Аввакумов. – Київ : Вища шк., 1983. – 240 с. 5. Аввакумов, В. Г. Постановка и решение электроэнергетических задач исследования операций / В. Г. Аввакумов. – Київ : Вища шк., 1983. – 240 с.

159

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62.83

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СХЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ А.Л. Серов, А.В. Светличный ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье представлен сравнительный анализ двух схем электропитания трехфазного двигателя маломощного насоса –от трехфазной сети 380 В с соединением обмоток в «звезду» и от однофазной сети 220 В с применением фазосдвигающего конденсатора при соединении обмоток в «треугольник». Ключевые слова: электродвигатель, насосная установка, питающая сеть, конденсатор The article presents a comparative analysis of two power circuits of a three-phase low-power pump motor - from a three-phase 380 V network with a winding connected to a "wye" and from a single-phase 220 V network using a phase-shifting capacitor when connecting the windings to a "delta". Keywords: electric motor, pump unit, power supply, capacitor В настоящее время для электропривода маломощных центробежных насосов применяются решения как с питанием от трехфазной сети, так и с питанием от однофазной сети при помощи фазосдвигающего конденсатора. Однако далеко не все производители в своей документации приводят гидравлические и электрические показатели для однофазных насосов, чаще всего они ограничиваются лишь основными электрическими параметрами двигателя и показателями подачи и напора для трехфазных приводов. Известно, что трехфазные системы питания позволяют достичь лучших энергетических показателей насосной установки, но недостаточно исследован вопрос влияния перехода от трехфазного питания на однофазное. Целью данной работы является комплексное сравнение гидравлических и электрических параметров насоса при питании его электродвигателя от трехфазной и от однофазной сети. В качестве основного показателя принимается сквозной коэффициент полезного действия электромеханической системы от питающей сети до гидравлических параметров.

160

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Эксперименты проводились на лабораторном стенде насосной установки кафедры ЭАПУ ДонНТУ, его вид показан на рисунке 1. Он предназначен для исследования электрических и гидравлических показателей насоса при различных методах пуска и способах регулирования подачи и напора.

Рисунок 1 – Внешний вид лабораторного стенда Основным элементом стенда является центробежный насос марки Pedrollo серии CP-130. В качестве его электропривода использован асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа 4АА63А2У3 мощностью 370 Вт. Паспортные данные представлены в таблице 1. Таблица 1 - Паспортные данные асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором серии 4АА63А2У3 Параметр

Обозначение

Величина

Номинальная мощность Номинальное напряжение КПД Коэффициент мощности Номинальное скольжение Отношение критического момента к номинальному Отношение пускового момента к номинальному

Pн Uн η cosφ sн Mк/Mн

370 220/380 70 0,86 8,3 2,2

Единицы измерения Вт В % % -

Mп/Mн

161

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Отношение пускового тока к номинальному Отношение минимального момента к номинальному Количество пар полюсов Синхронная частота вращения

Iп/Iн

Продолжение таблицы 1 5

Mмин/Mн

1,2

p nс

1 3000

об/мин

Номинальный ток двигателя вычисляется по формуле (1): Pн 370 = Iн = = 0,93 А 3 ⋅ U ф ⋅ cosφ ⋅ η 3 ⋅ 220 ⋅ 0,86 ⋅ 0.7

(1)

где Pн – номинальная мощность, Вт; Uф – фазное напряжение, В; cosφ – коэффициент мощности; η - КПД двигателя. Расчет номинальной скорости вращения электродвигателя производится по формуле (2): 1 − sн 1 − 0,083 n н =⋅ nс = 3000 ⋅ = 2751 об/мин (2) 1 1 где nс– синхронная частота вращения, об/мин; sн – номинальное скольжение. Номинальный момент на валу электродвигателя можно определить из формулы (3): P 370 = 1,28 Нм M н = 9,55 ⋅ н = 9,55 ⋅ (3) nн 2751 Также лабораторный стенд оснащен расходомером и датчиком давления для фиксации гидравлических параметров насосной установки. Электрические показатели питающей сети фиксировались с помощью промышленного мультиметра Lovato DMK 32. С целью анализа схем электропитания на энергетические показатели электропривода насоса был проведен контрольный эксперимент с включением двигателя в трехфазную сеть с линейным напряжением переменного тока 380 В. Схема подключения представлена на рис. 2. Для подачи питания на электродвигатель был использован четырехжильный кабель длиной 30 метров и сечением жилы 2,5 мм2. Эксперимент проводился на протяжении одного часа, при этом программное обеспечение DMK Remote Control было запрограммировано на запоминания указанных параметров сети с интервалом в 5 минут.

162

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Соединение обмоток двигателя в «звезду» Для анализа энергетических показателей привода были выбраны следующие параметры: потребляемый ток фазы A, фазы B и фазы C; активная и реактивная мощности также по всем трем фазам. Графики изменения токов и активной мощности представлены на рисунках 3 и 4 соответственно. 0.9

0.8 Ток фазы А

0.7

Ток фазы В Ток фазы С

0.6

I, А

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 0

t, мин

Рисунок 3 - График изменения потребляемых токов по трем фазам На графике можно увидеть, что токи во всех трех фазах в ходе эксперимента уменьшаются до тех пор, пока не достигают своих установившихся значений. Это можно объяснить тем, что во время работы электродвигателя, его обмотки нагреваются, следовательно, увеличивается их сопротивление.

163

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

500 450 400 350

W, Вт

300 250 200 150 100 50 0 0

t, мин

Рисунок 4 - График изменения активной мощности На графике видно, что потребляемая активная мощность в первые минуты работы двигателя выше, чем в установившемся режиме. Данный эффект происходит потому, что мощность зависит от протекающего по фазе тока, а так как токи в ходе работы насоса падают изза явления, описанного выше, то и активная мощность тоже уменьшается. Частота оборотов ротора двигателя была измерена с помощью стробоскопа в режиме, когда вал совершал половину оборота за одну пульсацию светодиода. Частота импульсов составила 93,5 Гц. Перевести эту частоту в скорость вращения двигателя можно по формуле (4): 60 ⋅ f 60 ⋅ 93,5 = n = = 2805 об/мин (4) 2 2 Также во время проведения эксперимента с интервалом в 10 минут регистрировались гидравлические показатели насосной установки. С помощью расходомера фиксировался объем перекаченной жидкости за заданный промежуток времени, а с помощью цифрового датчика – давление в выходном патрубке насоса. Экспериментальные гидравлические параметры приведены в таблице 2. t, мин V, м3 P, бар

Таблица 2 - Гидравлические параметры насоса 10 0,192 1,65

20 0,192 1,6

30 0,191 1,6

164

40 0,191 1,6

50 0,19 1,6

60 0,191 1,6

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Неизмеряемые параметры электродвигателя, а именно реальные значения момента на валу, коэффициента скольжения и КПД двигателя можно определить по его рабочим характеристикам, представленным на рисунках 5 и 6. 2.5 cosfi КПД I, A

M, Нм

cos, kpd, I, M

1.5

0.5

0 0

100

200

300

400

500

600

P2, Вт

Рисунок 5 - Рабочие характеристики двигателя 1200 W, Вт Q, Вар

1000

W, Q

800

600

400

200

0 0

100

200

300

400

500

600

P2, Вт

Рисунок 6 - Рабочие характеристики двигателя 165

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

На графиках зеленым отмечены рабочие точки, а черным – номинальные. По полученным результатам можно сделать вывод, что двигатель насоса работает немного недогруженным, так как действительные значения параметров меньше номинальных. Основными показателями эффективности использования центробежного насоса являются напор и подача. Подача насоса за время эксперимента рассчитывается по формуле (5): Q = Q1 + Q 2 + Q3 + Q 4 + Q5 + Q6 = 0,192 + 0,192 + 0,191 + 0,191 + (5) м3 /ч 0,00032 м3 /с +0,19 + 0,191 = 1,147 = Напор насоса для удобства принято выражать в метрах водяного столба, поэтому установившееся давление в выходном патрубке насоса необходимо перевести из баров в метры. Сделать это можно по следующей формуле (6): = H 10,197= ⋅ P 10,197 ⋅= 1,6 16,3152 м (6) Зная напор и подачу насоса, можно вычислить его гидравлическую мощность по формуле (7): Pгидр = Q ⋅ H ⋅ ρ ⋅ g = 0,00032 ⋅ 16,33 ⋅ 1000 ⋅ 9,8 = 51,16 Вт (7) где ρ - это плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2. Далее необходимо найти полезную мощность электродвигателя. Для этого нужно умножить полную активную мощность на коэффициент полезного действия двигателя по формуле (8): Pэл =Wуст ⋅ ηдвиг =450 ⋅ 0,705 =317, 25 Вт (8) Теперь, зная гидравлическую мощность насоса и потребляемую активную мощность установки, можно найти сквозной КПД системы при питании от трехфазной сети по формуле (9): η=

Pгидр W

⋅100% =

51,16 ⋅100 = 11, 4% 450

(9)

В качестве варианта питания трехфазного электродвигателя насоса от однофазной сети был исследован способ с применением фазосдвигающего конденсатора. Его суть заключается в подключении третьей обмотки через конденсатор, как показано на рисунке 7.

166

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 7 - Соединение обмоток в «треугольник» при однофазном питании Для данной схемы электропитания расчет емкости рабочего конденсатора производится по формуле (10): 4800 ⋅ Iф 4800 ⋅ 0,93 Cр = = = 20,29 мкФ (10) Uс 220 где Iф – фазный ток в обмотке статора, А; Uс– напряжение однофазной питающей сети, В. Так как расчетное значение емкости получилось нецелое число, то в качестве реальной емкости конденсатора берется ближайшее к нему меньшее целое, то есть 20 мкФ. Минимальное номинальное напряжения конденсатора можно найти по формуле (11): U к = 1,3 ⋅ U c = 1,3 ⋅ 220 = 286 В (11) Опираясь на эти две вышеприведенные формулы для проведения эксперимента была собрана конденсаторная батарея из пяти металлобумажных конденсаторов типа МБГЧ-1 по 4 мкФ соединенных параллельно, при этом номинальное напряжение каждого 500 В [3]. Электрические параметры сети фиксировались так же, как и в предыдущем эксперименте, при помощи промышленного мультиметра Lovato DMK 32. Данные эксперимента приведены в таблице 4. Также с интервалом в 10 минут были сняты гидравлические показатели насосной установки, они приведены в таблице 5.

167

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 3 - Полученные в ходе эксперимента электрические показатели питающей сети t, мин 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

I, А 2,16 2,12 2,12 2,1 2,09 2,09 2,09 2,09 2,08 2,08 2,08 2,08

W, Вт 470 470 460 460 460 460 460 460 460 460 450 450

Q, Вар 120 110 110 100 100 100 100 100 100 90 90 90

Таблица 4 - Полученные в ходе эксперимента гидравлические параметры насоса

t, мин V, м3 P, бар

10 0,193 1,55

20 0,189 1,5

30 0,185 1,5

40 0,185 1,5

50 0,184 1,5

60 0,183 1,5

В ходе эксперимента также был зафиксирован коэффициент мощности питающей фазы в установившемся режиме, его значение равно 0,97. Такой высокий cosφ обусловлен компенсирующим влиянием фазосдвигающего конденсатора. Подача насоса за время эксперимента определяется по формуле (12): Q = Q1 + Q 2 + Q3 + Q 4 + Q5 + Q6 = 0,193 + 0,189 + 0,185 + 0,185 + (12) 3 +0,184 + 0,183 = 1,119 м= /ч 0,000311 м3 /с Для определения напора нужно перевести установившееся давление на выходе насоса в метры водяного столба по формуле (13): = H 10,197= ⋅ P 10,197 ⋅= 1,5 15,2955 м (13) Теперь, зная подачу и напор насоса, можно определить его гидравлическую мощность по формуле (14): Pгидр = Q ⋅ H ⋅ ρ ⋅ g = 0,000311 ⋅ 15,3 ⋅ 1000 ⋅ 9,8 = 46,62 Вт (14) Чтобы узнать КПД насосной установки нужно найти отношения гидравлической мощности к активной электрической мощности по формуле (15):

168

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

η=

Pгидр W

⋅100% =

46, 2 ⋅100 = 10% . 460

(15)

Выводы

Сравнительный анализ показал, что разница в КПД насосной установки при трехфазном и однофазном питании составляет 1,4 %, разница в производительности – 2,5 %. Коэффициент мощности при однофазном питании оказался выше, чем при трехфазном на 24,4 %. Таким образом, основные энергетические показатели установки отличаются на незначительную величину, поэтому можно сказать, что применение фазосдвигающего конденсатора позволяет эффективно использовать трехфазный маломощный привод насоса для включения его в однофазную сеть.

Перечень ссылок

1.Минин, Г.П. Реактивная мощность. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1978. – 88 с., ил. 2. Копылов, П.И. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / П.И. Копылов, Б.К. Клоков. Т. 1. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 456 с.: ил. 3. Горячева, Г.А. Конденсаторы: Справочник / Г.А. Горячева, Е.Р. Добромыслов. – М.: Радио и связь, 1984. – 88 с.: ил.

169

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.313

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ СИСТЕМЫ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С.Н. Ткаченко, В.В. Иванов ГОУВПО «Донецкий Национальный Технический Университет»

Работа посвящена совершенствованию цифровых защит асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором системы собственных нужд электростанций. В данной работе предлагается дополнять стандартные защиты присоединения кабель-асинхронный двигатель усовершенствованной тепловой защитой, базирующейся на косвенном определении температуры нагрева обмотки короткозамкнутого ротора по данным регистрации режимных параметров (мгновенные значения фазных токов, напряжений, а также величины скольжения). Работоспособность предложенной тепловой защиты проверена на как на ПЭВМ с использованием методов математического моделирования, так и на экспериментальном стенде для асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт и напряжением статора 0,4 кВ. Ключевые слова: цифровая защита, асинхронный электродвигатель, короткозамкнутый ротор, температура нагрева ротора, система собственных нужд электростанций. The work is devoted to the improvement of digital protections of squirrel-cage induction electrical motors of power plants auxiliary system. In this paper, it are proposing to supplement standard cable-induction motor connection protection with improved thermal protection, based on an indirect heating temperature determination of squirrel-cage rotor winding according to registration of condition parameters (instantaneous values of phase currents, voltages, as well as slip values). The operability of proposed thermal protection was testing on both a PC using mathematical simulating methods and an experimental bench for an induction motor with a 5.5 kW rated power and a stator voltage of 0.4 kV. Keywords: digital protection, induction electrical motor, squirrelcage rotor, rotor heating temperature, power plant auxiliary system. Постановка задачи. Система собственных нужд (СН) современной электрической станции представляет собой сложную многоэлементную структуру, от надёжной работы которой, зависит стабильный 170

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

и непрерывный процесс генерации электрической и тепловой энергии. Одним из основных элементов СН являются асинхронные электродвигатели (АЭД) с короткозамкнутым ротором (КЗР), являющимися электроприводными двигателями различных механизмов технологического цикла. Номинальная мощность применяемых АЭД колеблется от нескольких сотен Ватт до 8000 кВт. Несмотря на относительно высокую надежность, повреждаемость данного типа машин переменного тока составляет, как показано в [1], [2], примерно 25-30 % за один календарный год от общего количества эксплуатируемых машин. Одним из путей, позволяющих существенно сократить повреждаемость АЭД с КЗР, является применение новых алгоритмов релейной защиты и автоматики (РЗиА), как например усовершенствованных тепловых защит (ТЗ), основанных на контроле режимных параметров. Поэтому, исходя из изложенного выше, можно сделать вывод об актуальности и необходимости совершенствования цифровой системы защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Анализ публикаций. Вопросам совершенствования цифровых систем РЗиА асинхронных машин в настоящее время посвящено большое количество научных работ [1]-[9]. В основном рассматриваются системы, включающие незначительно модернизированные или вовсе не имеющие модернизации алгоритмы стандартных защит, таких как токовая отсечка (ТО), защита от перегрузки (ЗП) на основе контроля действующего значения тока статора, защита однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) и др. Данные защиты рекомендованы соответствующими стандартами или нормативными документами (ПУЭ, IEEE и др.). В качестве тепловых защит (ТЗ) в современных микропроцессорных терминалах РЗиА присоединения кабель-двигатель применяют либо ТЗ, основанную на контроле сигналов от встроенных в обмотку статора термодатчиков (ТД), либо используют ТЗ основанную на псевдотепловой модели с соответствующим контролем тока статора и величины температуры нагрева обмотки статора, измеряемого встроенными ТД [2]-[7]. Все указанные выше защиты на практике работают некорректно в ряде анормальных и аварийных режимов работы, таких как, работа при несимметрии питающего напряжения, обрыв стержней обмотки КЗР, неисправности системы охлаждения машины и др. К более перспективным тепловым защитам можно отнести ТЗ [8], [9], основанные на косвенном контроле температуры нагрева обмотки КЗР АЭД, определяемой по данным регистрации режимных параметров. Однако вышеуказанные ТЗ, требуют дальнейшего совершенство-

171

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

вания с учётом их использования на асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором, работающих в системе СН. Результаты исследований. Для обеспечения необходимой защиты система РЗиА присоединения кабель-асинхронный электродвигатель в базовой конфигурации должна включать следующие цифровые защиты: • продольная дифференциальная защита (ПДЗ) от междуфазных токов короткого замыкания (КЗ) для высоковольтных АЭД мощностью свыше 5000 кВт; • ТО мгновенного действия для защиты междуфазных КЗ для АЭД мощностью менее 5000 кВт; • двухступенчатая ЗП током статора с действием на сигнал (первая ступень) и на отключение с заданной выдержкой времени (вторая ступень); • двухступенчатая ТЗ обмотки короткозамкнутого ротора на основе косвенного определения температуры нагрева обмотки КЗР по данным измерения режимных параметров; • двухступенчатая защита от ОЗЗ с действием на сигнал (первая ступень) и на отключение с заданной выдержкой времени (вторая ступень). В качестве ТО, ПДЗ, ЗП и ОЗЗ будем использовать стандартные алгоритмы, используемые в микропроцессорных терминалах РЗиА электродвигателей серии «БМРЗ», производства НТЦ «Механотроника», и представленные в [2]. В данной работе основное внимание уделим совершенствованию двухступенчатой ТЗ обмотки КЗР, основанной на регистрации режимных параметров, представленной в [9]. Для исключения колебаний, возникающих в ряде анормальных и аварийных режимов работы, как например, в при работе с несимметрией питающего напряжения, в процессе необходимых вычислений температуры будем использовать составляющие прямой последовательности (ПП) для расчёта входных сопротивлений асинхронного электродвигателя. Косвенное определение температуры нагрева обмотки КЗР осуществляется по результатам сравнения на каждом шаге работы микроконтроллера величин активного сопротивления ротора ПП, рассчитываемых в горячем и холодном состояниях для текущего значения скольжения s. Активное сопротивление ротора ПП в горячем состоянии определяется путём преобразований эквивалентной схемы замещения (ЭСЗ) на основе измерений режимных параметров или мгновенных значений 172

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

фазных токов (ia, ib, ic), фазных напряжений (ua, ub, uc), а также величины скольжения s. В основе алгоритма будем использовать одноконтурную ЭСЗ ПП АЭД с наличием контура потерь в стали статора и учётом скинэффекта в обмотке КЗР, показанную на рис.1. Все вычисления в работе будем выполнять в системе относительных единиц (о.е.).

Рисунок 1 – Одноконтурная эквивалентная схема замещения АЭД с КЗР ПП с наличием контура потерь в стали магнитопровода статора и учётом вытеснения тока в обмотке КЗР Параметры ЭСЗ АЭД с КЗР (RS, XσS, Xµ, RFE, XσFE, RRs =1 , X σsR=1 , RRs , X σsR ) будем определять с использованием метода идентификации, представленного в [10]. Для упрощения реализации усовершенствованного алгоритма ТЗ на микропроцессорной платформе учёт вытеснения тока будем производить с помощью линейных зависимостей сопротивлений ротора от скольжения (1). HOM

HOM

sHOM s 1 = R R R

) R R ( s=

+ (R

− RRsHOM ) ⋅ ( s − sHOM ) ⋅ s −1 ,

sHOM s 1 =s 1 = σR σR σR σR

) X X ( s=

s =1

+ (X

−X

) ⋅ (1 − s ),

(1)

s =1

где RR и X σ R – активное и индуктивное сопротивления при скольжеsHOM sHOM нии равном s = 1; RR и X σ R – активное и индуктивное сопротивле-

ния при номинальном скольжении sНОМ; В данной работе для сглаживания (фильтрации) бросков рассчитываемых входных сопротивлений ПП машины и температуры нагрева ротора будем производить усреднение на определённом интервале используя формулу среднеквадратического отклонения (2). RX =

1 m ⋅ ∑ (RX ) 2 ; m 1

173

(2)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Последовательность вычислительных операций косвенного определения температуры нагрева обмотки КЗР АЭД, производимых на каждом шаге работы микроконтроллера, представлена в виде блоксхемы на рис.2.

Рисунок 2 – Блок-схема алгоритма усовершенствованной тепловой защиты обмотки КЗР АЭД Корректная работа предложенной усовершенствованной тепловой защиты обмотки ротора асинхронной машины проверена на ПЭВМ на 174

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

математической модели, основанной на полых дифференциальных уравнениях аналогично [9], с использованием методов математического моделирования на примере АЭД с КЗР типа АИР112-М4, каталожные данные которого представлены в табл. 1. Параметры схемы замещения вышеуказанного электродвигателя были определены на основе данных каталога, уточнённых из эксперимента, по методике, изложенной в [9], и представлены в табл. 2.

PНОМ, кВт

UНОМ, кВ

IНОМ, A

cosφНОМ

ηНОМ

MП/МНОМ

MМАКС/ МНОМ

IП/IНОМ

sНОМ

Таблица 1 – Каталожные данные АЭД с КЗР типа АРИ112-М4

5,5

0,4

11,43

0,86

0,855

2,5

0,047

Таблица 2 – Параметры ЭСЗ АЭД с КЗР типа АРИ112-М4 X σsR RRS =1 X σSR=1 RRs RS XσS Xμ RFE XσFE 0,066 0,08 2,312 12,30 25,17 0,04 0,041 0,052 0,065 HOM

HOM

Также работоспособность проверена на специализированном экспериментальном стенде для вышеуказанного асинхронного электродвигателя типа АИР112-М4. Для регистрации режимных параметров использовался эмулятор цифрового терминала релейной защиты и автоматики на основе современной ПЭВМ и платы АЦП для шины PCI типа L-Card®783M, производства компании L-Card®. По результатам проведенного опыта подачи в течение тридцати минут пониженного напряжения (с использованием специального понижающего трансформатора 0,4 кВ / 49 В) на статор при заторможенном роторе температура нагрева обмотки КЗР, определённая по усовершенствованному алгоритму в конце эксперимента (тридцатая минута) составила 49,2 0С. Зависимость косвенно определённой температуры обмотки ротора от времени показана на рис.3. Также на рис. 4 приведены зависимости от времени входного активного сопротивления прямой последовательности, рассчитанные по данным цифровой регистрации режимных параметров без и с учётом проведения процедуры усреднения. Как видно из рис. 4 использование усреднения позволяет снизить уровень колебаний вычисляемой величины в данном случае величины входного активного сопротивления ПП.

175

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

100

VR , C

VR = 49,2 0C сред.

60 40 20 0

t ,c 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Рисунок 3 – Экспериментальная зависимость температуры нагрева ротора АЭД с КЗР от времени 1

RВХ.1, о.е. до усреднения

0,5

после усреднения 0

t, c 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

Рисунок 4 – Экспериментальная зависимость входного сопротивления ПП АЭД от времени до и после усреднения При этом реальная температура обмотки короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя, измеренная в процессе эксперимента термодатчиком, составила 47,5 0С, что входит в диапазон допустимого отклонения ±5 %. Выводы

1. Предложена усовершенствованная цифровая система защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором системы собственных нужд, включающая дополнительную тепловую защиту, основанную на косвенном определении температуры нагрева обмотки ротора.

176

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

2. С целью повышения точности и увеличения стабильной работы тепловой защиты предложено в процессе работы алгоритма на каждом шаге работы микроконтроллера усреднять рассчитываемые значения входных сопротивлений прямой последовательности машины и значение температуры нагрева обмотки КЗР. 3. Работоспособность предложенной алгоритма тепловой защиты обмотки короткозамкнутого ротора проверена как на ПЭВМ с использованием методов математического моделирования, так и с использованием экспериментальной установки для асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором номинальной мощностью 5,5 кВт и напряжением статора 0,4 кВ.

Перечень ссылок

1. Корогодский В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ / С.Л. Кужеков, Л.Б. Паперно – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 248 с; 2. Релейная защита электродвигателей напряжением 6-10 кВ терминалами БМРЗ: Методика расчета / С. А. Гондуров, С. В. Михалев, М. Г. Пирогов, А. Л. Соловьев. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2014. – 92 с.: ил. [Библиотечка электротехника. приложение к журналу «Энергетик»; Вып. 9 (189)]. 3. R. M. Shivpuje and S. D. Patil, "Microcontroller based fault detection and protection system for induction motor," 2017 International Conference on Intelligent Computing and Control Systems (ICICCS), Madurai, 2017, pp. 1187-1191; 4. 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;. 5. SEL-710 Реле защиты электродвигателя / Schweitzer Engineering Laboratories,2019 12 с; 6. 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; 7. 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; 8. 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; 9. Сивокобыленко В.Ф. Тепловая защита асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при несимметрии питающего напряжения / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Вестник Кременчугского государственного политехнического университета имени М. Остроградского. – Выпуск 3/2009 (56). – часть 2. – Кременчуг, 2009. – С. 74-78.; 10. Ткаченко С.Н. Метод идентификации параметров эквивалентных схем замещения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором / С.Н. Ткаченко // Сборник научных трудов ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет». Серия «Электротехника и энергетика». – выпуск 1 (16). – Донецк, 2014. – С. 210-215.

177

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НА ХАРАКТЕР ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ С.А. Гришанов, В.М. Петрийчук, Л.В. Нешпоренко ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье выполнен анализ существующих компьютерных программ предназначенных для расчета токов КЗ в электрических системах. Выполнен расчет токов КЗ для исследуемой схемы при помощи PowerFactory. В работе проанализировано влияния на характер переходного процесса параметров схемы замещения элементов сети. Ключевые слова: электрические системы, расчет токов КЗ, PowerFactory, переходный процесс Analysis of existing computer programs designed to calculate shortcircuit currents in electrical systems is performed in the article. The calculation of short-circuit currents for the power net under study using PowerFactory is performed. The influence of the equivalent circuit parameters of network elements on the nature of the transition process is analyzed in the work. Keywords: electrical systems, calculation of short-circuit currents, PowerFactory, transient. Актуальность. Как известно наиболее часто используемой в электроэнергетике является задача расчет токов короткого замыкания (КЗ) [1-2]. Выполнение расчетов токов КЗ необходимо в первую очередь при проектировании объектов электроэнергетических систем. Токи КЗ используются для выбора характеристик как первичного так и вторичного оборудования на электрических подстанциях [3]. Также эти токи используются при расчете и выборе уставок устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА), и для проверки селективности работы устройств РЗиА [4]. Расчеты токов КЗ необходимы и при решении задач текущей эксплуатации электрических систем и сетей, в том числе для определения мест повреждения на линиях электропередач. В настоящее время для решения задачи расчета токов КЗ в рамках исследования аварийных режимов в электрических системах наиболее широко используются специализированные программнотехнические комплексы и компьютерные программы как отечествен-

178

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ной разработки (АРМ СРЗА, блок RastrKZ в составе RastrWin, EnergyCS ТКЗ, подпрограмма ТКЗ в составе ПВК АНАРЭС), так и зарубежной разработки: DIgSILENT PowerFactory [5], ETAP и др. Но к сожалению не все имеющиеся продукты позволяют решать задачу расчета токов КЗ при сложных видах повреждений: многократные КЗ, сочетания КЗ и обрывов проводов, сложные несимметричные КЗ и др. К тому же стоит отметить, что многие программы используют упрощенные подходы в расчетах токов КЗ (не учет полной схемы замещения элементов электрической системы). В тоже время более современные комплексы (PowerFactory) позволяют решать задачи с учетом выше описанных допущений. Следует отметить, что не все программные комплексы используют международные методики [6] и подходы в расчете токов КЗ и даже не в полной мере учитывают положения отечественных рекомендаций [7]. Поэтому задача оценки программного обеспечения необходимого для расчета и анализа аварийных ситуаций, например расчета токов КЗ, в электрических системах является актуальной задачей. Цель работы. Анализ влияния параметров схемы замещения линий и трансформаторов на характер переходного процесса при КЗ и оценка адекватности полученных результатов моделирование с использованием программного комплекса DIgSILENT PowerFactory. Исследование. Исследуемым объектом является электрическая система, приведенная на рис.1.

Рисунок 1 – Схема исследуемой системы в PowerFactory

179

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Участок состоит из источника питания (UИП=115 кВ), однотипных трансформаторов ТДТН-63000/110/35 (Sном=63 МВА, UВ=115 кВ, UС=38,5 кВ, UН=6,6 кВ, ∆Pк=290 кВт, ∆Pх=53 кВт, uкВ=10,5%, uкС=18%, uкН=7%, Iх=0,55%, 11 группа соединения) и линии (АС-240/56: r0=0.024 Ом/км, x0=0.405 Ом/км, b0=2.81 мкСм/км) длинной 50 км. Ввиду участия в КЗ только элементов сети до узловой подстанции (УП) данные остальных элементов не приводятся. В качестве аварийной ситуации выступает КЗ на шинах УП (ВН, СН, НН). Исследуется два вида КЗ (трехфазное и однофазное) длительностью 0,12 с. Результаты моделирования в виде графических зависимостей изменения токов в элементах системы и напряжения по шинам во времени приведены на рис. 2-5. С учетом всех сопротивлений

Без учета емкостных проводимостей линий

Учитывая только индуктивное сопротивление

Рисунок 2 – Характер изменения при К3 на УП ВН

180

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ С учетом всех сопротивлений

Рисунок 3 – Характер изменения при К1 на УП ВН С учетом всех сопротивлений

Без учета емкостных проводимостей линий

Учитывая только индуктивное сопротивление

Рисунок 4 – Характер изменения при К3 на УП СН

181

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

С учетом всех сопротивлений

Без учета емкостных проводимостей линий

Учитывая только индуктивное сопротивление

Рисунок 5 – Характер изменения при К3 на УП НН Проанализируем полученные результаты. Характер изменения токов и напряжений точно соответствует рассматриваемой аварийной ситуации. По рис. 2 и рис. 4-5 видно, что напряжение на поврежденной шине при КЗ равно нулю, а на шине электрически значительно удаленной от места КЗ проседает незначительно. Из графиков видно, что параметры схемы замещения значительно влияют на характер протекания переходного процесса во время КЗ. На характер изменения вектора тока практически не влияет учет емкостных проводимостей в схеме замещения линии. Для случая при учете в схеме замещения элементов сети только индуктивных сопротивлений вектор тока

182

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

затухает значительно медленнее. В свою очередь на характер изменения вектора напряжения значительное влияние оказывает учет в схеме замещения емкостных проводимостей (наблюдается скачкообразное изменения вектора напряжения в моменты появления КЗ и отключения КЗ). Не учет полной схемы замещения, в первую очередь линии электропередачи, при анализе аварийной ситуации вызванной КЗ может привести к неправильной настройке устройств РЗиА и электродинамической оценке коммутационных аппаратов. Выводы

В итоге можно сделать вывод, что параметры схемы замещения имеют значительное влияние на характер протекания переходного процесса при коротком замыкании. Расчет аварийного режима при использовании всех параметров схемы замещения дает полную картину переходного процесса, однако он труднореализуем (необходим анализ электромагнитных переходных процессов во временной области). При рассмотрении в схеме замещения элементов сети только индуктивных сопротивлений расчет переходных процессов значительно упрощается, что дает возможность рассчитать требуемые величины установившегося тока КЗ с использованием упрощенных методик, но это не дает полной картины переходного процесса, что в случае выбора оборудования и настройке устройств РЗиА может быть критично. Программный комплекс PowerFactory для моделирования аварийных режимов в электрических сетях имеет достаточную степень точности для решения задач анализа электромагнитных переходных процессов.

Перечень ссылок

1. Венников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: Учеб. для электроэнергет. спец. вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. / В.А.Венников. – М.: Высш. шк., 1985. – 536 с. 2. Schlabbach J. Short-circuit Currents (Energy Engineering) / J. Schlabbach. – The Institution of Engineering and Technology, 2005. – 336 р. 3. Расчет токов коротких замыканий в энергосистемах : учеб. пособие / С. А. Ерошенко [и др.]. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. —104 с. 4. Егоров А. Опыт использования программного комплекса EnergyCS ТКЗ в службе релейной защиты и автоматики «Карелэнерго» / А. Егоров, Н. Ильичев. // CADmaster, випуск 1(86). - М. - 2017. - С. 38-41. 5. DIgSILENT GmbH Gomaringen. PowerFactory Руководство пользователя DIgSILENT PowerFactory Версия 14.0. / Germany, 2011. 1192с. 6. IEC 60909-0:2016 Edition 2.0 (2016-01-28): Short-circuit current calculations in three-phase a.c. systems – Part 0: Calculation of currents. 7. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Под ред. Б.Н. Неклепаева.-М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. 152 с.

183

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62.83

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ТОКА ЯКОРЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОНИЖАЮЩИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Д.Н.Мирошник, А.С. Осадчий ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье предлагается использование обратной связи в контуре регулирования оценки тока якоря машины постоянного тока, питающейся от понижающего преобразователя постоянного напряжения. Предложенные методы подтверждаются имитационной моделью, разработанной в программной среде MATLAB. Ключевые слова: преобразователь, контур тока якоря, датчик тока, инвалидное кресло The paper proposes the use of feedback in the control loop for estimating the armature current of a DC machine powered by a buck DC-DC converter. The proposed methods are confirmed by a simulation model developed in the MATLAB software environment. Keywords: driver, armature current loop, current sensor, wheelchair На сегодняшний день существует большое количество способов измерения тока якоря для регулируемого электропривода с машиной постоянного тока [1]: датчик установленный в выходной цепи преобразователя (датчики тока на эффекте Холла), в цепи между полупроводниками и конденсаторным фильтром источника питания (токовые мониторы, шунты). Для маломощных электроприводов датчики на эффекте Холла, в том числе компенсационного типа, показывают низкую чувствительность, поскольку не предусмотрены для маленьких токов, да и в целом имеют неоправданно высокую стоимость для данных задач. При этом задача вычисления тока по импульсу потребляемого тока (id, рис.1) преобразователем тоже не всегда возможна, поскольку в микросхемах преобразователей вход измерения тока оказывается недоступен [2]. Для таких применений оказывается крайне затруднительно вычислить ток двигателя. Поэтому целью работы является использование оценки тока якоря через ток источника (idf, рис.1).

184

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

id +

iЯ

U i df

Магнитное поле

Lя

RН

N Вращение вперед

ЕЯ

uш GND Рисунок 1 – Принципиальная схема силовой части электропривода

Принцип оценки тока якоря иллюстрирует рис.2. На нем видно, что при ШИМ-управлении ключем VT существует взаимосвязь между током якоря Iя и током источника Idf. uН 0

iЯ 0

uН

UНСР U t1

tВКЛ

ЕЯ

T VD

I ЯCP t

I dCP t

0 idf

I dfCP

Рисунок 2 – Диаграммы работы преобразователя напряжения Здесь мощность на нагрузке определяется выражением: РН=UНСРIЯСР=UγIЯСР,

185

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

R=0.01 Ohm

где γ=tвкл/T – скважность импульсов управления транзисторов; Т –период импульсов, значением 100 мкс; U – напряжение источника. По аналогии мощность, которая генерируется источником: Рист=UIdf=UγIЯСР. Если предположить, что мощности приблизительно равны, тогда: IЯСР=Idf/γ. Следовательно, оценкой тока якоря есть ток источника, определяемый через коэффициент γ. Для проверки предложенного решения была составлена имитационная модель электропривода (рис.3).

Diode

a D

A+

[Idf]

i + -

[Ia]

[ocIa] [Idf]

i + -

DC machine L=20mH, Ra=0.6 Ohm C =1.8

Mosfet m

[Idf]

C =1000u

Goto

dc A-

U=24V

[Ia]

In1 Out1

osad4iy.mat To File

[zadI] [ocIa] [gamma] [gamma] ACC 0...5V Arduino_nano [zadI]

Рисунок 3 – Имитационная модель работы контура оценки тока якоря Модель электропривод постоянного тока состоит из силовой части и системы управления (arduino_nano). Последняя представляет собой контур регулирования тока якоря, замкнутого по оценке тока якоря. Шаг дискретности системы управления 100мкс, шаг дискретности модели 1мкс, период ШИМ 100 мкс, АЦП 10бит, ШИМ 10 бит. Диаграммы работы, иллюстрирующие запуск электропривода приведены на рис.4. Они подтверждают работоспособность предложенного решения.

186

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В первый момент времени осуществляется калибровка тока источника, при которой заряжается емкость на входе преобразователя. При t=0.1c осуществляется запуск привода. Изменяющийся коэффициент γ подтверждает разгон привода. 4

iЯ*,А

2 0

iЯ,А

Калибровка 0

0.05

0.1

t,c 0.15

0.2

0.25

0.3

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

idf,А

2 0

t,c 0

0.05

0.1

t,c

2 0

0.35

iЯ,А 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

t,c0.3

0.35

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.5

γ,о.е. 0

0.05

0.1

Рисунок 4 – Диаграммы работы контура оценки тока якоря Выводы

В работе подтверждена возможность создания электропривода при помощи регулирования оценки тока якоря. Предложенное решение может быть использовано в случае, если отсутствует возможность измерения тока стандартными способами.

Перечень ссылок

1. Анучин, А.С. Системы управления электроприводов: Учебник для вузов/ А.С. Анучин.Москва: Издательский дом МЭИ, 2015.-373с. 2. Драйвер двигателя L298N//Электронный ресурс. – режим доступа: https://3ddiy.ru/wiki/arduino-moduli/drayver-dvigatelya-l298n/

187

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В.И. Сорокин, Д.В. Полковниченко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»,

В работе проведен анализ существующих способов компенсации реактивной мощности в электрических сетях. Выполнен расчет технической эффективности применения компенсирующих устройств на примере сетей РП «РЭК». Ключевые слова: электрическая сеть, реактивная мощность, потери, напряжение, компенсирующее устройство. The paper analyzes the existing methods of reactive power compensation in electrical networks. The calculation of the technical efficiency of compensating devices is performed on the example of networks of the of regional undertaking «Regional electric supply company». Keywords: electrical network, reactive power, losses, voltage, compensating device. Как известно, основной задачей компенсации реактивной мощности (КРМ) в электрических сетях всех назначений является уменьшение потерь активной электроэнергии за счет снижения дополнительных потерь, обусловленных протеканием в них реактивной составляющей полного тока [1]. Полные затраты на производство и передачу всей необходимой предприятию реактивной мощности Q от шин электростанций в большинстве случаев значительно больше, чем затраты на производство реактивной мощности непосредственно в системе электроснабжения предприятия. Поэтому экономически целесообразно от генераторов электростанций передавать часть реактивной мощности, а большую - компенсировать на шинах (присоединениях) самого потребителя. Возникает задача выбора видов, мощности и мест размещения компенсирующих устройств - источников реактивной мощности (ИРМ), обеспечивающих баланс реактивной мощности в режиме максимальных и минимальных нагрузок предприятия при мини-

188

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

муме суммарных (приведенных) затрат на производство и передачу реактивной мощности [2]. Выбору мест установки и экономической мощности компенсирующих установок должна предшествовать реализация организационных мероприятий (не требующих дополнительных капиталовложений), приводящих к уменьшению реактивных нагрузок и снижению потерь мощности и электрической энергии. К таким могут быть отнесены следующие мероприятия: - замена слабозагруженных асинхронных двигателей на двигатели меньшей мощности; - замена асинхронных двигателей на синхронные; - использование ограничителей холостого хода электроустановок; - переключение схемы обмоток двигателей с треугольника на звезду; - обеспечение оптимальной загрузки силовых трансформаторов по критериям затрат, или потерь электроэнергии и потерь мощности; - использование рациональных схем и режимов роботы преобразовательных установок; - отключение части параллельно работающих трансформаторов, при снижении загрузки или одной из линий 10 кВ при двулучевой схеме электроснабжения; - оптимизация мест размыкания распределительных линий с двухсторонним питанием; - выравнивание нагрузок фаз в сетях 380/220 В; - снижение электропотребления за счет изменения напряжения на шинах центров питания; - регулирования максимума нагрузки потребителей. Любые операции, связанные с перераспределением реактивной мощности в электрических сетях должны проводиться совместно с анализом, расчетом и оптимизацией режима напряжения. При этом должны быть обеспечены требования на показатели качества электрической энергии в соответствии с нормами ГОСТ 13109-97. Регулируемые компенсирующие установки могут оказаться достаточно эффективными для поддержания требуемых уровней напряжения, особенно в сетях с неоднородной нагрузкой или при ограниченных возможностях регулирования напряжения на шинах центров питания [3]. Виды ИРМ различаются техническими и экономическими характеристиками, которые определяют область их рационального использования. Технические характеристики синхронных машин (СМ) как ИРМ одинаковы для всех видов СМ. Они представляют собой плавно регу-

189

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

лируемый ИРМ. За счет изменения тока возбуждения обеспечивается регулирование реактивной мощности по любому закону. При глубоких (аварийных) снижениях напряжения у СМ происходит автоматическая форсировка возбуждения, приводящая с существенному увеличению генерации Q. СМ обладают хорошими динамическими характеристиками по Q, отражающими реакцию СМ по реактивной мощности на колебания напряжения в электрической сети. У СМ колебания напряжения вызывают изменения Q, при этом колебания напряжения находятся в противофазе с изменением Q. В результате СМ сглаживают график Q и способствуют уменьшению колебания напряжения. СМ малочувствительны к несинусоидальности напряжения, поэтому они могут использоваться в качестве ИРМ в электрических сетях, питающих мощные вентильные преобразователи [4]. Батареи конденсаторов (БК) являются нерегулируемыми или ступенчато регулируемыми ИРМ. Батарею разделяют на секции, каждую из которых следует подключать через отдельный коммутационный аппарат. БК способны только генерировать Q. Генерация Qген батарей конденсаторов емкостью С, подключенной к электрической сети напряжением U, составляет 𝑈𝑈𝑐𝑐 2 𝑄𝑄ген = � � ∙ 𝑄𝑄ном.БК . 𝑈𝑈БК

Квадратичная зависимость генерируемой Q ведет к тому, что при снижении напряжения, например на 10%, генерация Q уменьшается на 19%. Режим с понижением напряжения в сети характеризуется дефицитом Q, который еще более возрастает из-за уменьшения ее генерации батареями конденсаторов. БК чувствительны к несинусоидальности напряжения в сети. При несинусоидальном U конденсаторы перегружаются токами высших гармоник, что приводит к сокращению срока их службы. БК могут увеличивать несинусоидальность напряжения в сети из-за возможности резонанса токов на одной из высших гармоник. Несмотря на отмеченные недостатки БК, на промышленных предприятиях они получили наибольшее распространение как ИРМ. Основными их достоинствами являются: - незначительные потери активной мощности; - отсутствие вращающихся частей, шума при работе, сравнительно малая масса установки с конденсаторами и в связи с этим отсутствие необходимости в фундаменте; - более простая и дешевая эксплуатация, чем других ИРМ;

190

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

- возможность увеличения или уменьшения установленной мощности в зависимости от потребности; - возможность установки в любой точке сети: у отдельных электроприемников, на 2-5 ступенях. Кроме того, выход из строя отдельного конденсатора, при надлежащей его защите, обычно не отражается на работе всей конденсаторной установки [2]. В работе были проведены исследования технической эффективности применения компенсирующих устройств в электрических сетях РП «Региональная энергопоставляющая компания». В качестве исходных данных использовались схема электрических сетей РП «РЭК» и нагрузки узлов для режима максимальных нагрузок (1800, 19 декабря 2018 г.). Анализ позволил провести выбор приоритетных подстанций для установки устройств КРМ с точки зрения существующих нагрузок. Расчет требуемой мощности устройств КРМ (БК) для выбранных подстанций выполнялся по формуле [5]: QКУ = Pф1(tgϕ1 – tgϕЭК), где tgϕЭК=0,25. В табл.1 приведены величины потерь мощности в сети до и после установки устройств КРМ. Таблица 1 – Величина потерь мощности в сети до и после установки устройств КРМ Режим Без КРМ С КРМ

Нагрузочные потери

∆Р, МВт

∆Q, Мвар

26,49 26,267

149,551 147,654

Потери ∆Р, МВт От перетока Р 22,959 22,946

От перетока Q 3,532 3,322

Потери х.х. ∆Р, МВт 17,592 17,621

∆Q, Мвар 48,798 49,114

Анализ результатов показывает, что наряду со снижением нагрузочных потерь из-за уменьшения перетока реактивной мощности, наблюдается рост потерь холостого хода. Это можно объяснить ростом напряжения в узлах сети. Величины напряжения на шинах некоторых потребительских подстанций до и после установки на них устройств КРМ приведены в табл.2. Как видно, установка устройств КРМ приводит к ожидаемому росту напряжения в узлах схемы. Однако при этом могут нарушаться требования к качеству электрической энергии, что приводит к необходимости применения устройств регулирования напряжения (например, устройств РПН силовых трансформаторов).

191

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

№ ПС

Таблица 2 – Величина напряжения на шинах потребительских подстанций до и после установки устройств КРМ Название ПС

Трудовская-110

Волынцево

Жемчужная110

Uном, кВ 6

Qку.ном Мвар 0,9

Uбез КРМ, кВ 6,23

Uс КРМ, кВ 6,4

2 1 2 1 2

6 6 6 6 6

0,9 2,1 1,35 0,3 -

6,23 6,27 6,47 6,44 6,45

6,4 6,52 6,59 6,47 6,51

Секция

∆U, % 2,729 2,729 3,987 1,855 0,466 0,930

В целом техническая эффективность применения устройств КРМ для электрических сетей РП «РЭК» в сложившихся в настоящий момент экономических условиях достаточно низкая, что вызвано слабой загрузкой сетей в связи с простоем большого количества промышленных потребителей. При этом установка устройств КРМ для самих потребителей позволяет значительно снизить плату за потребление реактивной мощности, которая в настоящее время в ДНР осуществляется в соответствии с [6]. Перечень ссылок

1. Владимиров Ю.В. О проекте новой редакции «Методики обчислення плати за перетікання реактивної електроенергії між електропередавальною організацією та її споживачами» / Ю.В. Владимиров, Д.О. Малышева // Вісник НТУ «ХПИ». Серія: Енергетика: надійність та енергоефективність. – Харків: НТУ «ХПИ». – 2013. – № 17 (990). – С.32-39. 2. Электроснабжение промышленных предприятий: учебное пособие [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/109/57109/. 3. Зорин В.В. Экономически обоснованные значения перетоков и степени компенсации реактивной мощности в сети потребителя / Зорин В.В. // Электрика. – Москва. – 2005. - № 12. - С.13-16. 4. Мельников М.А. Электроснабжение промышленных предприятий: Учеб. пособие / Мельников М.А.// – Томск: Изд. ТПУ, 2000. - 144 с. 5. Указания по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях. – М.: Энергия, 1974. – 72 с. 6. Методика обчислення плати за перетікання реактивної електроенергії. Наказ Міністерства палива та енергетики України від 17 січня 2002 року № 19. Зареєстровано в Міністерстві юстиції України 1 лютого 2002 р. за № 93/6381.

192

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 531.134

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАБЕЛЬНОГО РОБОТА КАК ОБЪЕКТА С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КИНЕМАТИКОЙ В.Ю. Карпенко, П.И. Розкаряка ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье рассмотрены математическая модель кабельного робота и основные принципы функционирования робота как системы с параллельной кинематикой. В объекте учтены собственные массы тросов и гравитационные силы. Производен расчет поправок в координаты управления, компенсирующие гравитационные воздействия на трос. Рассмотрены два способа формирования задания на перемещение: установка заданных координат и задание от джойстика. Ключевые слова: кабельный робот, параллельная кинематика, регулятор положения, сервопривод This article considers a mathematical model of a cable robot and basic functioning principles of such robot as a system with parallel kinematics. The plant takes into account cable masses and gravity forces. The correction of control coordinates compensating cable gravity influences were calculated. Two algorithms of motion reference generation are considered: direct desired coordinate setting and joystick control. Keywords: cable robot, parallel kinematics, position controller, servo drive Параллельной кинематикой называют системы, в которых исполнительный орган соединен с основанием несколькими независимыми кинематическими цепями [1]. Кинематику такого типа также могут называть замкнутой или избыточной. Однако эти названия не в полной мере раскрывают топологический принцип, заключающийся в параллельном управлении независимыми кинематическими цепями. Кинематические цепи могут быть реализованы как системы из жестких звеньев-актуаторов и управляемых шарниров, так и как системы из гибких тросов с приводными лебедками. Примерами систем, использующих параллельную кинематику с жесткими звеньями, являются платформа Стюарта и дельта-робот. Кабельные роботы и кабельные краны – это примеры систем с гибкими звеньями.

193

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Кабельный робот – это система с четырьмя независимыми кинематическими цепями, представленными в виде тросов и лебедок, которые приводятся сервоприводом [2]. Рабочий орган кабельного робота представляет собой платформу (с полезной нагрузкой), подвешенную на концах четырех тросов. Перемещение рабочего органа в пространстве осуществляется скоординированной работой приводных лебедок. Формирование задания на привод лебедок производится в соответствии с алгоритмами расчета координат рабочего органа на рабочем поле, которое изображено на рис 1.

Рисунок 1 – Координаты рабочего органа кабельного робота Для формирования задания на привод требуется решить обратную задачу кинематики. Обратная задача кинематики – это основополагающая задача, от качества решения которой будет зависеть точность работы робота. Для кабельного робота решением обратной задачи кинематики будут значения длин тросов, требуемых для нахождения рабочего органа в заданных координатах рабочего поля [3]. Целью данной работы является разработка математической модели системы управления кабельного робота как объекта с параллельной кинематикой. Особенности расчета длин тросов связаны с тем, что трос является системой материальных точек, имеющих конечную массу, и подвержен воздействию гравитации. Расчет длин тросов, приближенно, производится по геометрическим формулам (1) в соответствии с известными значениями координат рабочего органа и известными геометрическими размерами рабочей зоны: 194

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

(1) Li = Z i2 + X i2 + Yi 2 , где Li – длина троса; X i - координата Х рабочего органа Yi координата Y рабочего органа; Z i - координата Z рабочего органа. Для минимизации погрешностей геометрического расчета и решения задачи с материальным тросом следует рассмотреть силы, возникающие в системе «трос-груз» в статике. На трос действуют растягивающая сила ( Fi ), вызванная массой груза (q), которая приложена под углом (α), и сила гравитации, воздействующая на собственную массу троса (рис. 2).

Рисунок 2 – Иллюстрация троса в пространстве Формула (2), учитывающая вышеперечисленные воздействия на трос, называется «уравнением цепной линии» [4]. Это уравнение позволяет повысить точность вычислений и реализовать компенсацию гравитационного воздействия: g ⋅L   F  S = i  cosh c i  − 1 , (2) 2 F g i    где S – длина троса с учетом гравитации; Fi – сила, направленная вдоль троса; g – ускорение свободного падения; g c – масса погонного метра троса; Li – рассчитанная геометрически длина троса. В программном пакете Matlab с помощью библиотеки Simscape Multibody создана механическая модель кабельного робота. Модель представляет собой механическую систему параллельной кинематики 195

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

из простых тел, реализованных блоками body из библиотеки Simscape Multibody с заданными геометрическими размерами и массой, размещенных в среде моделирования с действующим ускорением свободного падения. Тела связанны механическими зависимостями или их имитациями, соответствующими связям и зависимостям в реальных объектах. Модель в блоках Simscape Multibody показана на рис. 3.

Рисунок 3 – Matlab модель кабельного робота Для решения задачи создания модели троса также были использованы блоки тел из библиотеки Simscape Multibody. Т.к. трос является материальной гибкой нитью, его можно представить как цепочку цилиндрических тел, имеющих собственную массу, связанных свободными шаровыми шарнирами. В подсистеме (см. рис. 4) реализован данный способ с использованием пяти простых цилиндрических тел и пяти шаровых шарниров, четыре из которых имеют порт управления телескопическим актуатором [5]. Актуаторы отвечают за изменение длины цепочки из тел и имитируют изменение линейных размеров реального троса при его смотке или намотке на барабан лебедки. Управление актуаторами осуществляется подачей задания на порт управления. Задание для блоков Simscape Multibody 196

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

требует определенного алгоритма формирования и преобразования, для чего служит блок Simulink-PS Converter. В блок Simulink-PS Converter подается задание, деленное на четыре, в соответствии с количеством актуаторов, и две равные нулю константы, отвечающие за скорость и ускорение соответственно.

Рисунок 4 –Блоки в подсистемах Tros 1…4 Управление моделью параллельного робота может осуществляться двумя способами: от внешнего задания с помощью USB джойстика или вводом желаемых координат для перемещения с помощью клавиатуры. Эти способы требуют близких подходов для реализации. При заранее известных координатах можно построить оптимальную по быстродействию траекторию перемещения с учетом ограничений на скорость и ускорение. Для этого можно использовать как разомкнутый, так и замкнутый задатчики положения, формирующие необходимую тахограмму. Для решения второй задачи с управлением от внешнего задания, где траектория будущего перемещения неизвестна, необходимо использовать замкнутый задатчик положения. Кроме этого необходимо согласовать сигналы модели и внешнего задающего устройства – джойстика, это осуществляется с помощью блока Joy из библиотеки Simscape (см. рис.5). Данный блок автоматически преобразует импульсы с USB в переменные Matlab. Однако для использования этих переменных в качестве задания, в координатах рабочего пространства требуется провести масштабирование и преобразование их в непрерывные нарастающие вектора координат Х,Y,Z, привязанных к центру отсчета системы, при помощь блока Joy XYZ. Преобразование векторов координат X,Y,Z в задание на управление положением привода лебедок производится блоком FNC Cable Calculator, в котором реализован расчет по формулам (1) и (2). Рассчитанные управляющие значения из блока FNC передаются в подсистемы с математической моделью системы сервопривода лебедок. Она представляет собой

197

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

замкнутую трёхконтурную систему регулирования положения с внутренними контурами скорости и момента.

Рисунок. 5 – Модель системы управления Содержащийся в блоке FNC код m-функции: function [T1,T2,T3,T4]= fcn(X,Y,Z) L=20 % длина зоны (X) S=20 % ширина зоны (Y) h=10 % высота зоны (Z) x1=(L-P)/2; y1=(S-P)/2; T=sqrt(x1^2+y1^2+h^2)% длина троса при начальных условиях pT1=-(T-sqrt ((x1+X)^2+(y1+Y)^2+(h-Z)^2)); %дельта троса 1 pT2=-(T-sqrt ((x1+X)^2+(y1-Y)^2+(h-Z)^2)); %дельта троса 2 pT3=-(T-sqrt ((x1-X)^2+(y1+Y)^2+(h-Z)^2)); %дельта троса 3 pT4=-(T-sqrt ((x1-X)^2+(y1-Y)^2+(h-Z)^2)); %дельта троса 4 end

Также для удобства исследования и презентации результатов использована возможность пакета Matlab реализовать визуализацию модели средствами приложения Mechanics Explorer. Созданная система визуализирует результаты моделирования кабельного робота. Визуализация отработки перемещения рабочего органа робота представлена на рис. 6. На рис. 7 представлена результаты моделирования. Отработка заданной траектории в виде прямоугольной трапеции с основаниями 12м и 8м и высотой 4м (обозначена красной линией) происходит с колебаниями, вызванными особенностями работы Мatlab в системах с замкнутой кинематикой и расчетом параметра tolerance.

198

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 6 – Визуализация моделирования в среде Matlab

Рисунок 7 – Траектория движения рабочего органа Однако эти колебания являются незначительными и составляют менее одного процента от амплитуды движения (0,04м). Также на графике показано (синяя кривая) перемещение рабочего органа с введением компенсационных поправок гравитационного воздействия и без использования алгоритмов компенсации (оранжевая кривая). 199

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

Разработана математическая модели системы управления кабельного робота как объекта с параллельной кинематикой. В объекте учтены собственные массы тросов и гравитационные силы. Производен расчет поправок в координаты управления, компенсирующие гравитационные воздействия на трос. Рассмотрены два способа формирования задания на перемещение: установка заданных координат и задание от внешнего устройства – джойстика. Анализ графиков траектории рабочего органа позволяет сделать вывод о качестве отработки задания системой параллельной кинематики с гибкими звеньями с учетом гравитационного воздействия и без него.

Перечень ссылок

1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. Москва, «Наука»., 1988. 639 c. 3. Andreas Pott. Cable-Driven Parallel Robots Theory and Application ISSN 1610-7438 Springer Tracts in Advanced Robotics Library of Congress Control Number: 2018932992 Springer International Publishing AG, part of Springer Nature 2018, с 254. 3.Ларюшкин П.А., Глазунов В.А., Хейло С.В. Решение задачи о положениях параллельных манипуляторов с тремя степенями свободы. Справочник. Инженерный журнал, 2012, № 2, с. 16–20. 4. Меркин Д.Р. Введение в механику гибкой нити. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1980. с. 45. 5 Arsenault M., Boudreau R. The synthesis of three-degree-of-freedom planar parallel mechanisms with revolute joints (3-RRR) for an optimal singularity-free workspace. Journal of Robotic Systems, 2004, no. 21(5), pp. 259–274. 6 Abbasnejad, G., & Carricato, M. (2014). Direct geometrico-static problem of underconstrained cable-driven parallel robots with five cables. In Computational Kinematics (vol.15, pp. 59–66). Berlin: Springer 7 Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 1997. - 279 с.

200

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГИОНАЛЬНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ (ДНР) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

И.Б. Гуляева, С.А. Григорьев, Ю.Н. Кивгила ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Рассмотрены основные тенденции исследования и внедрения вычислительных моделей для проектирования и анализа применения возобновляемых источников электрической энергии (таких как солнце и ветер), критерии оценки экономической эффективности использования таких источников. Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, анализ, эффективность, электроснабжение, солнечная энергия, методика, солнечные панели The main trends of research and implementation of computational models for designing and analyzing the use of renewable energy sources (such as solar and wind), as well as criteria for evaluating the economic efficiency of using such sources are considered. Keywords: renewable energy sources, analysis, efficiency, electrical supply, solar energy, method, solar panel Научные исследования, в области изучения количества мировых запасов энергоносителей, показывают, что для решения неизбежных проблем энергодефицита, перспективно использование возобновляемых источников энергии. Главное преимущество возобновляемых источников − их относительные неисчерпаемость и экологическая чистота. Использование данных ресурсов не изменяет энергетический баланс планеты. Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в настоящее время оценивается в 20 млрд. тонн условного топлива в год, что в два раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива. Это в очередной раз доказывает необходимость их исследования и использования [1]. Обобщенно можно отметить следующие достоинства солнечной энергии: неисчерпаемость, экологичность, повсеместная доступность, высокое термодинамическое качество, то есть возможность преобразования в полезные виды энергии (тепло, электроэнергию, синтез новых материалов и энергоносителей, лазерное излучение и т. п.) с относительно высоким КПД [2].

201

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

К недостаткам можно отнести: низкую плотность энергетического потока (~ 1 кВт/м2 в ясный полдень и 150÷250 Вт/м2 в среднем по году); суточную, сезонную, погодную нестабильность и, как следствие, высокие затраты на оборудование (приёмники, аккумуляторы и т. п.) и высокую стоимость генерируемой энергии; возможность концентрирования только прямой составляющей солнечного излучения; зависимость от географических координат (рис. 1) [3].

Рисунок 1 – Карта мирового распределения ресурсов солнечной энергии Целью энергетической политики руководства Донецкой Народной Республики, как и любого другого современного государства, должно быть максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны и содействия укреплению его экономических позиций на мировой арене. Важным направлением в энергетике является повышение надёжности выработки и распределения электроэнергии для осуществления качественного и бесперебойного энергоснабжения потребителей. В настоящее время энергетика ДНР переживает кризис, обусловленный ситуацией, сложившейся в стране из-за военных действий, разделения территорий, кадрового "голода" и других объективных причин. Ситуация ещё более осложняется тем, что в ДНР многие объекты энергетики имеют крайне устаревшее оборудование, а огромное число энергоаппаратуры и линий электропередач частично или полностью уничтожены боевыми действиями. Поэтому имеются проблемы надёжного и бесперебойного электроснабжения некоторых потребителей, а с учётом перспектив развития – эти проблемы, особенно для удалённых

202

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

потребителей, будет ощущаться всё сильнее. В этих условиях очень актуальным является анализ возможностей использования и перспектива развития регионального энергоснабжения ДНР с использованием альтернативных источников электроэнергии, с целью повышения надёжности и качества электроснабжения. Оценить экономическую целесообразность использования различных альтернативных и традиционных источников энергии можно различными способами. Для обоснования эффективности регионального энергоснабжения с использованием солнечной энергии также применяются разные методики [4]. Из известных, можно выделить следующие: оценка экономической целесообразности использования энергии солнца; расчёт приведенных затрат; определение себестоимости энергии от альтернативных источников; методика, учитывающая удалённость снабжаемого объекта от линий электропередач; оценка эффективности инвестиционных проектов; долгосрочный анализ денежных потоков [5]. Изучив и проанализировав распределение солнечной энергии в нашем регионе, можно сделать следующие выводы. Регионы нашей Республики располагают ресурсами солнечной энергии, аналогичными ресурсам многих стран, где солнечные установки уже находят широкое применение. Географическое расположение нашего региона приводит к существенной сезонной неравномерности в поступлении солнечной энергии (в пользу теплого полугодия). Эффективный сбор энергии солнечного излучения требует специального внимания к выбору ориентации приёмников в пространстве (неподвижные или следящие). В климатических условиях региона (с низкими зимними температурами) требуется специальное внимание к проблемам эксплуатации солнечных установок при отрицательных температурах и обилии снега [4]. В настоящее время имеются надёжные базы исходных метеорологических и актинометрических данных для любой территории, обеспечивающие возможность адекватного проектирования солнечных установок для любой точки, в том числе и ДНР (разработки ОИВТ РАН). Для решения проблем оптимизации энергоснабжения автономных потребителей в ДНР целесообразно использовать современное программное обеспечение. Программная реализация позволяет обеспечить выполнение методик на автоматическом уровне, упростить выполнение однотипных расчётов и наглядно обосновать выводы. С помощью среды Excel и Access была создана база данных технических установок по преобразованию альтернативных видов энергии в электроэнергию и тепло, установок, необходимых для передачи и трансформирования электроэнергии и климатических характеристик

203

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

местности нашей Республики. В дальнейшем база данных может быть дополнена и усовершенствована, в зависимости от целей и задач пользователей, а также для простоты и удобства выбора оборудования, необходимого для конкретных целей. Создаваемая база данных, может включать в себя следующие разделы: фотоэлектрические установки; аккумуляторы; контроллеры заряда; инверторы; характеристики силовых трансформаторов; цены на комплектные трансформаторные подстанции; сопротивления изолированных проводов; система условных единиц электротехнического оборудования; зависимость количества инженерно-технических работников от трудоёмкости обслуживания; количество солнечных дней и инсоляция по районам Донбасса. С помощью приложения Microsoft Excel, и с использованием разработанной базы данных и методик технико-экономического расчёта, для сравнения различных вариантов энергоснабжения автономного потребителя, была создана программа для оптимального выбора энергоснабжения автономного потребителя. Программа состоит из нескольких модулей, с возможностью дополнения или увеличения их числа: − расчёт варианта энергоснабжения с использованием энергии солнца; − расчёт варианта традиционного электроснабжения; − сравнение капитальных вложений, издержек и минимума приведенных затрат для различных вариантов энергоснабжения. Программа проста в использовании. Для работы с ней необходимо запустить исполняемый файл «Расчёт автономной системы электроснабжения», открыть лист расчёта (модуль) и следовать приведенным в нём инструкциям. Фрагмент модуля «Расчёт автономной системы электроснабжения» с использованием энергии солнца представлен на рисунке 2. Модуль позволяет произвести следующие расчёты: выбор мощности инвертора (рис. 2); расчёт аккумуляторной батареи; расчёт количества солнечных панелей (фотоэлектрических модулей); выбор солнечного контроллера. В приложении Microsoft Excel возможно получение данных в виде диаграмм, что позволит улучшить наглядное представление полученных результатов и усилит визуальное восприятие данных. В результате проведенных расчётов можно сделать вывод, что полный переход на использование солнечной энергии для ДНР – нецелесообразен. Однако использование солнечной энергии для некоторых потребителей, таких как фермерские хозяйства, небольшие сельскохозяйственные потребители, удалённые потребители, и др. может быть весьма выгодно уже в нынешних условиях.

204

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Фрагмент рабочего окна модуля При изменении каких-либо данных (например, при введении «зелёного тарифа» или другого государственного стимулирования), с использованием программной реализации оценки эффективности, можно будет быстро и просто повторить расчёты и скорректировать выводы. Выводы

Технические разработки ГОУ ВПО «ДОННТУ» являются базой для упрощения расчётной части по проектированию и оценке целесообразности внедрения энергосберегающих систем в нашем регионе. Они могут быть использованы для внедрения в различные отрасли промышленности, а также для бытового использования.

Перечень ссылок

1. Алексеев В.В., Рустамов H.A., Чекарев К.В., Ковешников Л.А. Перспективы развития альтернативной энергетики и её воздействие на окружающую среду. Москва Кацивели: МГУ им. Ломоносова, HAH Украины, Морской гидрофизический интститут, 1999. - 92-129 с. 2. Андреев В.М, Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989. - 310 с. 3. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Задиранов Ю.М. и др. Пути использования солнечной энергии. // Тез. докл. конф. ИХФ АН СССР, Черноголовка, 1981. - 10-11 с. 4. Евстигнеев В.В., Развитие нетрадиционных источников энергии в Алтайском крае / В.В. Евстигнеев, В.Я. Федянин, М.Ю. Шишин. // Солнце, ветер, биогаз! Альтернативные источники энергии: экологичность и безопасность. Проблемы, перспективы, производители - Барнаул, типография Фонда «Алтай — 21 век». – 2005. 5. Амерханов Р. А. Оптимизация сельскохозяйственных электрических установок с использованием возобновляемых источников энергии. М.: Колос С, 2003.

205

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ В.С. Ожегов, И.И. Ларина ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Анализируется возможность использования статических методов оценки экономической эффективности значительных дополнительных инвестиций в энергетике при рыночных отношениях при замене трансформаторов. Ключевые слова: экономическая эффективность, дополнительные инвестиции, новое оборудование, экономические критерии Possibility of static methods use of estimation of economic efficiency of considerable additional capital investments is analysed in the power engineering at market relations at transformer replacement. Keywords: economic efficiency, additional capital investments, new equipment, economic criterion В рыночных условиях развития экономики возможность предприятий держаться на рынке товаров требует от них производства высококачественной и конкурентоспособной продукции. Для этого необходимо внедрять в новое оборудование, новые технологии и т.д. Энергетика, как отрасль экономики, требует ощутимых затрат на строительство, эксплуатацию и реконструкцию энергетических объектов. При этом любая из задач зависит от многих переменных и имеет в большинстве случаев значительное количество вариантов решения. Целесообразность обновления энергообъектов выполняется на основе технико-экономических обоснований, включающих в себя: - расчет капитальных вложений (инвестиций); - расчет эксплуатационных расходов; - анализ сравнительной экономической эффективности вариантов. Сравнительный анализ требует использования специальных методов, способствующих нахождению решения кратчайшим путем. Методы классифицируются в двух аспектах [1]: - по их новизне в отечественной практике (традиционные и современные); - по отношению к времени (статические и динамические). Универсальным традиционным методом в условиях плановой экономики являлся общий экономический критерий – критерий минимума

206

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

приведенных затрат. Одним из новых критериев экономической оценки целесообразности вложения инвестиций является критерий изменения текущей стоимости ΔNPV. Однако ряд отечественных авторов утверждает, что поскольку необходимые инвестиции обеспечиваются за счет всех потребителей, вносящих их как плату за электроэнергию, то обоснование вложения инвестиций можно выполнять по критерию общественной (социально-экономической) эффективности, т.е. так же как и при плановой экономике – по критерию дисконтированных приведенных затрат или сроку окупаемости [2]. В работе выполнена оценка целесообразности замены трансформаторов на 4 подстанциях (ПС) по трем критериям - минимума приведенных затрат Зпр (1), достаточно малого срока окупаемости Ток (2) и ΔNPV (3). Первый критерий является более гибким, так как позволяет сравнивать любое количество вариантов. Остальные два критерия позволяют сравнивать варианты попарно. Преимущество двух первых методов заключаются в простоте расчета. Они могут использоваться для быстрой оценки инвестиций Дополнительные инвестиции целесообразны, если: - по критерию 1 приведенные затраты в установку новых трансформаторов оказываются меньше, чем при эксплуатации установленных. При разности затрат (Эф < 5%) варианты считаются равноэкономичными; - по критерию 2 срок окупаемости дополнительных инвестиций оказывается меньше нормативного срока окупаемости (Ток < Тн); - по критерию 3 в случае положительного значения ΔNPV. Срок окупаемости – величина обратная коэффициенту эффективности Е, который выражает удельную экономию издержек на 1 руб. дополнительных капиталовложений. Нормативный коэффициент Ен показывает ту минимальную эффективность, ниже которой эффективность дополнительных капитальных вложений недопустима. В современных экономических условиях пользуются нормой дисконта. Она складывается из величины нормативного коэффициента экономической эффективности капиталовложений, степени риска и инфляции и зависит от цели вложения инвестиций [3]. Инвестиции (дополнительные капвложения), необходимые для реализации варианта реконструкции рассчитываются: Kр = Kоб + Kд – Kликв,

207

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

где Kоб – стоимость устанавливаемого или заменяемого оборудования (стоимость трансформаторов); Kд – стоимость демонтажа заменяемого оборудования; Kликв – ликвидационная стоимость демонтированного оборудования. Стоимость демонтажа старых трансформаторов принимается равной 50% от стоимости монтажа [4], которую можно рассчитать как: Kм = K расч. тр-ров – Kц, где K расч. тр-ров – расчетная стоимость трансформатора; Kц – заводская цена трансформатора. Ликвидационная стоимость для оборудования – это стоимость металлического лома, остающегося после его демонтажа. Стоимость потерянной электроэнергии определялась на основе расчета потерь в стали и меди трансформаторов по значениям мощности нагрузки при стоимости потерь электроэнергии bс = 3,367 тыс.руб./МВтч. Эксплуатационные расходы рассчитывались по норме эксплуатационных отчислений (ра = 14,4 % от K тр-ров [3]). Для установленных трансформаторов расчет выполнялся по балансовой стоимости, которая составляет 50% от первичных инвестиций. В табл. 1 приведены типы эксплуатируемых трансформаторов, срок эксплуатации которых в 2 и более раза превысил нормативный срок (30 лет [2]) и устанавливаемых трансформаторов. Таблица 1 – Сведения о типах трансформаторов ПС ПС

1 2 3 4

Эксплуатируемые тр-ры № Т1 Т2 Т3 Т1 Т2 Т1 Т2 Т1 Т2

Тип ТД-10000 ТМ-7500 ТМ-7500 ТД-15000 ТД-15000 ТМ-5600 ТМ-5600 ТД-15000 ТД-15000

Устанавливаемые тр-ры № Т1 Т2 Т1 Т2 Т1 Т2 Т1 Т2

Тип ТДНС-16000 ТДНС-16000 ТДНС-16000 ТДНС-16000 ТМН-6300 ТМН-6300 ТДНС-10000 ТДНС-10000

Так как расчетная стоимость трансформаторов велика, то сравнение критериев выполняется при Ен = 0,06 1/год (Тн = 16,7 года), что согласно [3] соответствует вложению инвестиций с целью сохранения позиций на энергорынке. Результаты сравнения приведены в табл. 2. В обозначениях, принятых в табл. 2, индекс «1» принадлежит варианту с большими капвложениями, т.е. варианту с новыми трансформаторами.

208

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 2 – Сравнительный анализ критериев ПС

Критерий

1 на ПС

Минимум затрат Tок., год ΔNPV Минимум затрат Tок., год ΔNPV Минимум затрат Tок., год ΔNPV Минимум затрат Tок., год ΔNPV Минимум затрат Tок., год ΔNPV Минимум затрат Tок., год ΔNPV Минимум затрат Tок., год ΔNPV

2 Т1 2 Т2 3 Т1 3 Т2 4 Т1 4 Т2

Параметры выбора Эф, % Эф1-2 = 15,87 К1>K2, И1<И2 Tок = 6,14 ΔNPV1-2 = -5315,53 Эф, % Эф1-2 = 20,58 К1>K2, И1<И2 Tок = 5,57 ΔNPV1-2 = -2639,46 Эф, % Эф1-2 = 18,67 К1>K2, И2>И1 Tок = 6,31 ΔNPV1-2 = - 2666,08 Эф, % Эф1-2 = 42,72 К2>K1, И2>И1 Tок = 3,74 ΔNPV1-2 = -1364,38 Эф, % Эф1-2 = 12,77 К2>K1, И2>И1 Tок = 8,29 ΔNPV1-2 = -1463,75 Эф, % Эф1-2 = 31,61 К2>K1, И2>И1 Tок = 4,53 ΔNPV1-2 = -1550,07 Эф, % Эф1-2 = 29,79 К2>K1, И2>И1 Tок = 4,03 ΔNPV1-2 = -1529,45

Лучший вариант новые тр-ры старые тр-ры новые тр-ры старые тр-ры новые тр-ры старые тр-ры новые тр-ры старые тр-ры новые тр-ры старые тр-ры новые тр-ры старые тр-ры новые тр-ры старые тр-ры

Из данных табл. 2 видно, что нет ни одного совпадения решения по всем трем критериям. По двум первым критериям совпадение во всех 7 случаях. Выводы Целесообразность реконструкции по критерию ΔNPV не показана при значительных капиталовложениях.

Перечень ссылок 1. Сергеев И.В. Экономика предприятия: Учебное пособие. – М.: Финансы и Статистика, 2000. 2. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д.Л. Файбисовича. – М: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. – 352 с. 3. Медведев А. Экономическое обоснование предпринимательского проекта / Медведев А. // Мировая экономика и международные отношения 1992. - № 6, 7. 4. Рокотян С.С. Справочник по проектированию электрических систем / С.С. Рокотян, И.М. Шапиро. – М.:«Энергия», 1971. – 248 с.

209

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62-835

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДВУХ УРОВНЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПРОТОТИПА МОБИЛЬНОГО СЕРВИСНОГО РОБОТА А.С. Дзябенко, Д.Н. Мирошник ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье выполнено описание разработки мобильного робота с двухуровневой системой управления на базе компьютера Asus Tinker Board и микроконтроллеров Arduino. Для связи верхнего и нижнего уровня создано программное приложение, обеспечивающее передачу данных с компьютера на любую часть программы микроконтроллера через интерфейс SPI. Ключевые слова: двухуровневая система управления, электропривод, SPI-интерфейс The article describes the development of a mobile robot with a twolevel control system based on an AsusTinkerBoard computer and Arduino microcontrollers. To communicate the upper and lower levels, a software application has been created that provides data transfer from a computer to any part of the microcontroller program via the SPI interface. Keywords: two-level control system, electric drive, SPI-interface Для современного мобильного робота уже мало иметь микроконтроллер, ему нужны привычные средства взаимодействия с окружением: Wi-Fi адаптер, зрение, слух, речевые функции, различные типы детекторов, и устройства взаимодействия с объектами в пространстве (манипуляторы) [1]. С большей частью задач может справиться мобильный одноплатный компьютер. Однако при отсутствии на нем аппаратного прерывания невозможно создать большое число регулируемых приводов с подключением ШИМ и датчиков к портам ввода/вывода [2]. В данной работе используется разделение управления мобильным роботом на верхний уровень (одноплатный компьютер) и нижний уровень (микроконтроллеры, преобразователи, двигатели и датчики) с целью распараллеливания задач автоматизации процессов управления. Подобные устройства существуют с одним микроконтроллером, ограничены количеством портов и стоят в 10 раз выше себестоимости [3]. К преимуществам такого варианта решения можно отнести наличие аппаратного прерывания на микроконтроллере, например для из-

210

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

мерения оборотов электродвигателей, что освобождает одноплатный компьютер от излишних подключений и процессов. Цель работы: разработка кроссплатформенной двухуровневой системы управления на примере мобильного робота, а также расширить возможности подключением нескольких микроконтроллеров для выполнения ими задач управления электроприводами. Внешний вид разработанного решения приведен на рис.1. Для движения мобильного робота использовано шасси Т101, которое полностью состоит из металла. В качестве двигателей перемещения шасси используются мотор-редукторы HM-GM25-370 постоянного тока мощностью 11 Вт, с номинальным напряжением 9В, номинальным током 1,22А, и скоростью холостого хода 11500 об/мин, передаточным числом редуктора 76,6, диаметром ведущих колес 45мм. Питание обеспечивает 4 шт. Li-Ion аккумулятора 18650 ёмкостью 2200 мАч каждый. На этапе проектирования рассматривались следующие виды передачи информации с верхнего уровня системы управления на нижний: - через порт I2C; - через порт SPI; - через порт UART. Недостатком UART-интерфейса является подключение более двух устройств. Параллельное соединение ведомых устройств (slave) может привести к потере данных вследствие использования асинхронного принципа работы и требует развязки передающих цепей (Tx) ведомых устройств. При этом возможно подключить UARTустройства последовательно, где каждое ведомое устройство будет ретранслировать данные, пока они не дойдут до ведущего устройства (master). В таком случае микроконтроллер в конце звена UARTустройств будет постоянно прерываться на ретрансляцию данных. Скорость работы UART выставляется заранее на всех устройствах, она больше чем на I2C, но меньше SPI. Скорость передачи по SPI гибко настраиваемая, без привязки к конкретным значениям и выставляется только на master-устройстве. В то же время она ограничена возможностью принимать корректно данные slave-устройством. Объем передаваемых данных не ограничен, гибок и настраиваемый, но требует четкой разметки по байтам на ведущем и ведомом устройстве.

211

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Нижний уровень – Arduino (3 шт)

Верхний уровень – Asus Tinker Board

Рисунок 1 – Мобильный гусеничный робот Верхний уровень был реализован через многопоточный TCPсервер, программа которого написана на языке С++. Сервер принимает данные от приложений, которые подключаются по обозначенным портам, помещает данные в таблицу и отправляет по SPI-порту на ведомое устройство, если предыдущее значение изменилось. Приложения могут выполняться не только на одноплатном компьютере и играть важную роль в управлении роботом, но и работать удаленно, например на другом компьютере (автопилот или OpenCV). Реализация позволяет одновременно нескольким приложениям управлять разными приводами асинхронно через сети или локальный хост (одноплатный компьютер). Канал управления играет роль строки в таблице, а столбцы - полезные переменные. Количество каналов можно задать фактически любое, но нужно учитывать, что незначительно увеличится задержка на отправку данных. Приемом данных, их обработкой и помещением в таблицу занимаются независимые потоки TCP-сервера. При этом поиском измененных данных в таблице и их отправкой за-

212

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

нимается уже другой поток, который пролистывает в свободное время таблицу на наличие изменений. На примере рисунков 2 и 3 показан пример передачи задания на первый канал управления величины задания частоты вращения привода перемещения робота 12000 (об/мин). TCP-сервер принимает сообщения от приложения ручного управления и помещает их в таблицу с изменением состояния регистра “Changed” на значение “true”. Данный регистр управляет отдельным потоком внутри TCPсервера, проверяющим изменение состояния массива каналов управления. Поток находит значение “true” и проверяет качество использующегося канала по переменным “type”и “CS_pin”. Здесь переменная “type” указывает на тип движущего устройства (рис.3), например «1» двигатель постоянного тока с регулированием частоты вращения, «2» – сервоприводы. В тоже время переменная “CS_pin” указывает на физическое подключение GPIO одноплатного компьютера и одного из микроконтроллеров нижнего уровня. Если значения “type” и “CS_pin” не равны нулю, поток задает на выходной порт 27 значение «LOW» (подтяжка к нулю).

Рисунок 2 – Передача управляющего сигнала по TCP-протоколу с верхнего на нижний уровень для управления первым каналом

213

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 3 – Система управления электроприводами мобильного робота Поток управления начинает передачу данных на ведомое устройство и после успешной передачи изменяет обратно состояние регистра “Changed” на значение “false”, после чего возвращается к процедуре проверки массива каналов. Таким образом, TCP-сервер является мультипоточным приложением с несколькими независимо работающими подпрограммами. Выше описанный принцип похож на устройства SPItoEthernet [4]. Такие устройства разработаны для вывода микроконтроллеров в сеть на физическом уровне (на каждый микроконтроллер отдельное сетевое подключение к роутеру). В данном случае можно подключить несколько микроконтроллеров к шине SPI и работать с ними на одном адресе локальной сети. Сервер дает возможность реализовать полностью удаленное управление через сети, что приведет к меньшей нагрузке на батарею мобильного робота. Также возможна работа, если мобильная платформа не подключена к сети wi-fi, но имеет на борту приложения управляющие приводами робота.

214

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Система передачи данных через TCP-протокол позволяет разместить переменные на микроконтроллере, содержимое которых можно изменять по средствам передачи данных. Разные каналы управления могут иметь физическое подключение на один порт вывода (“CS_pin”) GPIO и производить передачу на несколько микроконтроллеров одновременно, которые проверяют данные на соответствие к привязанному каналу управления. Клиент-серверная часть кроссплатформенная, и позволяет осуществлять общение на разных языках (Python, Java, C++), хотя сам сервер написан для совместимости с библиотекой “WiringPi” на языке С++[5]. Таким образом, были созданы условия для управления приводами передвижения мобильного робота. На следующем этапе была произведена настройка контура частоты вращения двигателей гусеничной тяги. На примере 1 канала связи показана диаграмма отклика системы регулирования скорости (рис.4). 8000 об/мин об/мин 8000

251716

251916

251816

252016

t/1000,c t/1000,c

Рисунок 4 – Отклик системы регулирования частоты вращения двигателя гусеничной тяги Из рисунка видно, что контур отрабатывает сигнал задания без ошибки. Время первого согласования составляет менее 30 мс. Выводы

Испытания показали стабильную передачу данных от TCP-сервера на модули Arduino Nano без потери данных на скорости 1 мбит/сек. Размер передаваемых данных в 3 байта, которые состоят из одного байта канала связи (от 0 до 255), и двух байт задания (от -32768 до 32767). Формат, объем данных, количество каналов и скорость изменяются, обеспечивая гибкость при построении двухуровневых

215

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

систем с передачей данных через SPI-порт. Испытания также показали, что мобильный робот развивает скорость 24 м/мин и имеет запас хода 1,5 км на полном заряде батареи. Данное решение также подходит для организации каналов управления в области “Интернет вещей”.

Переченьссылок

1.kPAM-SC: Generalizable Manipulation Planningusing KeyPoint Affordance and Shape Completion [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://groups.csail.mit.edu/robotics-center/public_papers/Gao20.pdf (датаобращения: 10.05.2020). – Загл. сэкрана. 2. PWM control with the Raspberry Pi [Электронный ресурс]. – Режимдоступа: https://www.embedded-computing.com/embedded-computing-design/pwm-controlwith-the-raspberry-pi-2 (дата обращения: 10.05.2020). – Загл. с экрана. 3. HusarionCORE2 STM32 BoardforRoboticsProjectsWorkswithESP32, RaspberryPi 3, orASUSTinkerboard [Электронныйресурс]. – Режимдоступа: https://www.cnx-software.com/2017/06/30/husarion-core2-stm32-board-for-roboticsprojects-works-with-esp32-raspberry-pi-3-or-asus-tinkerboard/(дата обращения: 10.05.2020). – Загл. с экрана. 4.SPItoEthernetModule.[Электронныйресурс]. – Режим доступа: https://www.usriot.com/download/ES1/USR-ES1-EN-V1.0.pdf(дата обращения: 11.05.2020). – Загл. с экрана. 5. Управление мобильным роботом через TCP сервер и SPI порты.[Электронныйресурс]. – Режим доступа: https://youtu.be/P1dwCDhHD2s(дата обращения: 16.05.2020). – Загл. с экрана.

216

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 543.422.7: 66.012.1

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ СВОЙСТВ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ А.А. Еременко, В.Ф. Раков, Н.А. Спиридонов ГУ «НИИ «Реактивэлектрон»

Рассмотрена разработанная система автоматизированной регистрации результатов измерений свойств фотокаталитических материалов. Созданный интерфейс системы осуществляет вычисление и регистрацию коэффициента пропускания одновременно с двух фотокалориметров, а также измерение тока в кондуктометрической ячейке. Ключевые слова: измерение свойств, фотокаталитический A developed system of automated registration of the results of measurements of the properties of photocatalytic materials is considered. The created system interface calculates and records the transmittance simultaneously from two photo-calorimeters, as well as measures the current in the conductometric cell. Keywords: measurement of properties, photocatalytic Использование эффективных гетерогенных фотокатализаторов очистки воды позволяет значительно улучшить качество питьевой воды для сохранности здоровья населения Донбасса. Повышение фотокаталитической активности катализаторов на основе диоксида титана является актуальной задачей. Создание новых материалов на основе TiO2, требует наличия измерительных средств для проверки их свойств. А именно, регистрации данных поступающих с двух фотоколориметров (типа КФК-2) и электрохимической ячейки. Запись и обработка этой информации в «ручном» режиме требует неприемлемо больших затрат времени и высока вероятность ошибок. Поэтому была разработана и создана система автоматизированной регистрации результатов измерений свойств фотокаталитических материалов, показанная на рисунке 1. В структурную схему системы входят: - фотоколориметры типа КФК-2; - электрохимическая ячейка и ячейка измерения рН; - иономер И-160М; - персональный компьютер;

217

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

- интерфейс ЭСИФ1.100. В состав Интерфейса ЭСИФ1.100 входят контроллер сбора информации и программное обеспечение. Контроллер сбора информации состоит из собранных на печатных платах модулей питания, микроконтроллера и жидкокристаллического индикатора (см. рисунок 2).

Рисунок 1 – Экспериментальная система регистрации результатов измерений свойств фотокаталитических прекурсоров ЭСИФ1.000

Рисунок 2 – Интерфейс ЭСИФ1.100, где 1 – клеммник Х1; 2 – регулятор выходного напряжения; 3 – переключатель пределов измерения тока кондуктометрической ячейки; 4 –разъём порта RS232

218

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В Интерфейсе ЭСИФ1.100 выполняется: преобразование аналоговых сигналов напряжением 0-2,5В в цифровую форму и передача на компьютер по протоколу ModBUS через последовательный порт RS232C; индикация результатов измерения и вычислений на текстовом дисплее. Индикация имеет вид, показанный на рисунке 3, где A, B C, D – текущие значения входных сигналов постоянного напряжения по входам, A соответствует аналоговому входу 1, В- входу 2, С –входу 3, D - соответственно аналоговому входу 4.

Рисунок 3 – Индикатор интерфейса Программное обеспечение (базовое) предусматривает выполнение следующих функций: - обмен данными с контроллером по протоколу ModBUS RTU через последовательный порт компьютера; - вычисление коэффициента пропускания одновременно с двух фотокалориметров, а также измерение тока в кондуктометрической ячейке; - индикация текущих значений входных величин и результатов вычислений; - экспорт текущих значений входных величин и результатов вычислений в таблицу MS Excel с заданной периодичностью. Вычисляемые параметры Коэффициент пропускания вычисляется по формуле [1]

где: U – текущее значение выходного напряжения колориметра (отслеживается постоянно по аналоговым входам 3 и 4); U0 – значение выходного напряжения колориметра при закрытой шторке; Umax - зна-

219

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

чение выходного напряжения колориметра при установленной кювете с эталонным растворителем Изменение тока ячейки вычисляется по формуле DI=I-I0 где: I- текущее значение тока ячейки; I0 - значение тока ячейки при начальных условиях (отсутствии воздействия). После выбора порта откроется основное окно программы (см. рисунок 4). Кнопка слева вверху «Open port» служит для открытия порта.

Рисунок 4 – Основное окно программмы В верхней правой части основного окна программы расположена панель отображения текущей информации, поступающей с контроллера. Ее цвет информирует о наличии актуальных данных: при выключенном опросе – серый, при наличии обмена – зеленый, при отсутствии связи с контроллером – красный. На панели расположены цифровые индикаторы состояния четырех аналоговых входов, а также точечные индикаторы состояния дискретных входов и выходов контроллера (в данной версии аппаратной части не задействованных). Под панелью расположены: Кнопка «Start» / «Stop» служит для включения / выключения циклического опроса контроллера.

220

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Кнопка «Set I0». При ее нажатии программа запоминает текущее значение по входу 2 (ток в кондуктометрической ячейке) в качестве «нулевого» (в формуле I0). Кнопка «Set 0». При ее нажатии программа запоминает текущее значение по входам 3 и 4 (выходные сигналы колориметров) в качестве «нулевых», соответствующих неосвещенному состоянию фотоприемника (в формуле U0). Кнопка «Set Max». При ее нажатии программа запоминает текущее значение по входам 3 и 4 (выходные сигналы колориметров) в качестве «эталонных», соответствующих максимальному световому потоку через «эталонную» кювету (в формуле Umax). Кнопка «On record» / «Off record» служит для включения / выключения экспорта текущих значений в таблицу MS Excel с периодичностью, заданной значением в окне, расположенном выше кнопки. После выключения записи откроется таблица MS Excel с записанными данными, как показано на рисунке 5. Start at 22.01.2020 10:07:27 Time Input 1 (U) Input 2 (I*5) Input 3 Input 4 K inp3 11:07:27 0,426 1,654 0 0,787 0 11:07:57 0,426 1,951 0 0,795 0 11:08:27 0,427 2,064 0 0,786 0

K inp4 0,875139 0,884058 0,874025

DI=I-I0 0,07 0,367 0,48

Рисунок 5 – Регистрируемые параметры в таблице Excel Выводы

Выполненная разработка аналогична работам по мобилизации оборудования для создания автоматизированных систем экспериментальных исследований, выполняемых в Российской Федерации [2].

Перечень ссылок

1. Фотоколориметр КФК-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 37с. 2. Мобилизация оборудования для создания автоматизированных систем экспериментальных исследований [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.cati.ru/text/inform/CATI_mobilizaciya-oborudovaniya.pdf

221

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62.83

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ИНВАЛИДНОЙ КОЛЯСКИ INVACARE STORM XS НА БАЗЕ STM32F401CC Ю.Д.Романенко, А.В.Захаров, Д.О.Петренко, Д.Н.Мирошник ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье описывается система управления электроприводом инвалидного кресла Invacare Storm XS, в которую входит: синтез контура регулирования тока, создание программы для управления модулем Bluetooth и создание программы для микроконтроллера STM32F401CC. Ключевые слова: микроконтроллер, контур тока, инвалидная коляска, двигатель постоянного тока The article describes the development of a full-fledged power converter for a wheelchair, capable of not only controlling two DC motors, but also serving as a power source for a microcontroller with a Bluetooth module and having a calibrated current sensor. As components, P and N channel MOSFETs with power, high-frequency diodes were selected. Keywords: microcontroller, current loop, wheelchair, DC motor Электромеханические инвалидные коляски созданы для помощи людям с ограниченными возможностями в достижении максимальной самостоятельности. Причем данный вопрос в настоящее время решается даже для людей, у которых полный паралич конечностей [1]. Современная коляска это элемент электронного оборудования которое нас окружает, она может выполнять голосовые команды, иметь на борту навигационное оборудование в виде датчиков расстояния и камер, выполнять функции перевозчика нескольких больных и т.д. Все это достигается приданием ей свойств робота, однако главной ее функцией все же является передвижение человека при помощи электропривода. В данной работе рассматривается инвалидная коляска «INVACARE STORM XS» (Рис. 1). Кресло оборудовано двумя коллекторными мотор-редукторами GP8040SB-SRG1В напряжением 24В, номинальным токов 14.6А с мощностью 350Вт при 4000 об/мин каждый. В состав двигателей входят электрические тормоза с усилием в 2.2Н*м и понижающие редукторы с передаточным числом 25. При весе около 105кг со свинцовыми аккумуляторами максимальная скорость равна 6км/ч. На данный мо222

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

мент на коляске отсутствуют датчики, система управления, аккумуляторные батареи, а так же имеются нерабочие тормоза без возможности восстановления. Для ее передвижения предлагается [2] использование модулей преобразования энергии постоянного тока Monster Moto Shield VNH2SP30 в комплексе с датчиком тока ACS758. При этом регулирование моментов двигателей осуществляется при помощи управления токов якоря в замкнутых контурах. Недостатком предложенного решения является ограниченное напряжение питания модуля до 20В, хотя двигатели имеют номинальное напряжение 24В. К тому существенный нагрев модуля, сопровождающийся работой инвалидной коляски в зоне нагрузок близких к номинальным, требует установки охлаждающего вентилятора. При этом увеличиваются габариты, ухудшается надежность (отключение вентилятора неизбежно приведет к выходу из строя модуля). Цель работы: восстановление работоспособности имеющегося инвалидного кресла путем создания новой системы управления с использованием современного микроконтроллера и управлением со смартфона.

Рисунок 1 – Инвалидное кресло Invacare Storm XS Основными задачами системы управления (СУ) электроприводом являются: осуществление пуска, останова и реверса. Поэтому для 223

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

движения кресла достаточно синтезировать контур тока якоря (момента), для выполнения заданных операций. Функциональная схема контуров регулирования тока двигателей представлена на рис.2. STM23F401CC

FOR1/ BACK1

ПН1 СП1

АЦП1 ДТ1

ДПТ1

ЗУ

РТ1 ШИМ1 АКБ

UART1

Bluetooth

ШИМ2 РТ2 СП2

ПН2

ДТ2

ДПТ2

Смартфон

АЦП2 FOR2/ BACK2

Рисунок 2 – Функциональная схема СУ На ней видно, что выходы регуляторов тока якоря (РТ1-РТ2) изменяют скважность импульсов, а цифровые выходы FOR1/BACK1, FOR2/BACK2 отвечают за направление движения. Для того чтобы дистанционно управлять инвалидной коляской со смартфона в данном проекте предложено использовать модуль Bluetooth HC-05, а в качестве среды разработки - App Inventor. Данная среда позволяет пользователю, имея минимальные знания программирования, создавать android приложения для смартфонов. На рисунке 3 изображено приложение на смартфоне содержащее необходимые органы управления одним двигателем инвалидной коляски. Модель системы управления в программе Matlab представлена на рисунке 4. Данную схему условно можно разделить на 2 части: первая часть – силовая, в которой присутствует двигатель постоянного тока, силовые ключи, шунт и источник питания, вторая часть – система управления двигателем, в которой присутствует калибровка и измерение тока, имитация сигналов со смартфона, настройка регулятора тока и генератор ШИМ.

224

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

I* - задание на ток, Kp – пропорциональный коэффициент регулятора, Ki – интегральный коэффициент регулятора, Сброс – сброс интегратора, Ready – разрешающий сигнал

Рисунок 3 – Внешний вид приложения на смартфоне

В качестве источника питания выбран аккумулятор с напряжением 24В. Верхние ключи отвечают за направление вращения, нижние – задают скорость. Блок Smartphone имитирует сигналы задания со смартфона, которые приходят на микроконтроллер с модуля Bluetooth. Блок shunt + Opamp AD823 имитируют шунт с операционным усилителем. Блок STM32F401CC имитирует микроконтроллер, в котором происходит калибровка сигнала с датчика тока, настройка ПИ - регулятора и т.д. Блоки IR2104 является драйверами для силовых ключей. На базе данной модели в дальнейшем будет построен алгоритм управления инвалидной коляской. Для управления выходного напряжения преобразователя используется униполярная ШИМ. Поэтому ток якоря оцифровуется в момент времени, соответствующий середине импульса тока Id [3]. В зависимости от режима работы электропривода или при минимуме несущей пилы таймера (двигательный режим), или при максимуме (генераторный режим). 225

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ Out1 In1

[Lbackward]

Mc_react

-K-

dc A-

-K-

DC Machine

[Lforward]

A+

[Id1]

+ i -

[pwmforwardL]

+ - v

[pwmbackwardL]

i + -

IR2104

[Id1]

[pwmforwardL] shunt+Opamp AD823

[Lbackward] [PWM1] [Lforward] [pwmbackwardL] STM32F401CC

Smartphone

IR2104

Рисунок 4 – Модель СУ одним двигателем в Matlab Результаты моделирования представлены на рисунке 5. Они подтверждают правильность настроек контура регулирования тока. 10 5 0

Id,А

-5 -10 0 10 5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

IЯ,А

t,c

0.6

0 -5 -10 0 40 20 0

t,c

0.6

UЯ,В

-20 -40 0 100 80 60 40

t,c

0.6

γ,о.е.

20 0

t,c

Рисунок 5 – Результаты моделирования одного канала системы управления

Для отладки работоспособности системы управления разработан двухканальный реверсивный преобразователь постоянного напряже226

0.6

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ния, внешний вид которого представлен на рисунке 6. Его особенностью является использование дорожек в качестве датчика тока (Шунт). Аналоговый сигнал с датчиков тока

Питание

Шун

т1

ОУ AD823

Управление ДПТ1 от STM32F401

Силовые ключи управления ДПТ2

Драйвер IR2104

Рисунок 6 - Фото разработанного двухканального преобразователя постоянного напряжения К полученной модели системы управления (на рис.4 stm32f401cc) добавлены блоки настройки периферии контроллера STM32F401CCU из библиотеки MAT-Target for STM32 [3]. После этого с помощью Simulink Embedded Coder [4] был сгенерирован проект на языке «С» для программмы IDE Keil uVision. После компиляции проекта был сгенерирован hex-файл. Результаты настроек контуров тока электрических машин приведены на рис.7. Выводы

В работе предложена разработка двухдвигательного реверсивного электропривода электромеханической инвалидной коляски со смартфона. Предложена система управления двухканальным электроприводом с регулированием моментов двух колес. Работоспособность подтверждается осциллограммами токов двух машин постоянного тока.

227

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 7

IЯ1*,А

5 4

IЯ2,А

IЯ1,А

-1 2.5

t,c 3

3.5

4.5

5.5

-1 3.5

-1

-2

-3

IЯ1,А

-4

t,c 4

4.5

IЯ2,А

-4

IЯ1*,А

-5

5.5

6.5

IЯ2*,А

-5

-6 -7

IЯ2*,А

-6

t,c 2

2.5

3.5

4.5

-7

t,c 3

3.5

4.5

5.5

Рисунок 7 – Осциллограммы токов для двух машин при движении вперед и назад в режиме х.х. Перечень ссылок

1. Управление инвалидной коляской и ПК при помощи языка. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://habr.com/ru/post/140554/. 2. Д.А. Тихонов. Разработка системы управления электроприводом инвалидного кресла / Тихонов Д.А., Мирошник Д.Н., Розкаряка П.И. // ИПД-2018, Т. 2: Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. - 2018. – сс. 115-122. - [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ipd.donntu.org/dl/IPD2018/s2.pdf. 3. Анучин, А.С. Системы управления электроприводов: Учебник для вузов/ А.С. Анучин.- Москва: Издательский дом МЭИ, 2015.-373с. 4. Embedded Coder Support Package for STMicroelectronics Discovery Boards/Mathworks. - Режим доступа: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/43093-embedded-coder-support-package-for-stmicroelectronics-discovery-boards, свободный. – Загл. с экрана. 5. Stm32 MAT-Target/st.com. - Режим доступа: https://www.st.com/en/development-tools/stm32-mat-target.html, свободный. – Загл. с экрана.

228

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62.83 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДА НА БАЗЕ ARDUINO А.С.Осадчий, Д.Н.Мирошник, А.В. Захаров ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье описывается разработка нереверсивного электропривода в виде преобразователя, двигателя и системы управления для велосипеда. Ключевые слова: преобразователь постоянного напряжения, велосипед, двигатель постоянного тока The article describes the development of a non-reversible electric drive in the form of a converter and a control system for a bicycle. Keywords: power DC converter, bicycle, DC motor В последнее время растет количество велосипедов во всем мире. Это связано с тем, что велосипед – это экологически чистый вид транспорта, который имеет ряд преимуществ перед другими транспортными средствами. Обычный велосипед или мопед это обычное явление в городе, а вот электрические велосипеды только начинают набирать популярность в связи с появлением новых технологий и удешевлений старых решений, а также желанием модернизировать имеющийся вид транспорта. Его дальнейшее изучение и модернизация является актуальной задачей в наше время. В соответсвии с технологическими требованиями движения электровелосипеда и вариантов передачи можно сделать вывод о том, что данный электропривод должен быть нереверсивным, а также не иметь возможности рекуперации энергии в источник. Таким образом, для передачи крутящего момента необходимо и достаточно создать контур регулирования тока якоря электродивгателя. Несмотря на многообразие возможных решений для электровелосипеда [1] в данной работе был выбран недорогой вариант электропривода mid-drive с цепной передачей крутящего момента и подвесным двигателем постоянного тока MY1018 [2] (рис.1). Целью работы является разработка нереверсивного электропривода в виде преобразователя, двигателя и системы управления для велосипеда.

229

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 1 – Внешний вид двигателя электровелосипеда Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи: - рассмотреть существующие варианты электроприводов и электрических машин для электровелосипедов; - выбрать аппаратные составляющие (микроконтроллер, силовой преобразователь, аккумулятор, датчик тока, задающее устройство); - разработать математическую модель контура регулирования тока; - разработать программу для микроконтроллера; - разработать и изготовить печатную плату управления; - осуществить настройку (наладку) реальной системы и запустить ее. Для выполнения данных технологических требований разработана печатная плата (рис.2), принципиальная электрическая которой приведена на рисунке 3. AD8551

IR2104 MBR2045 IRLZ44N

Контроль параметров

Arduino Nano

Рисунок 2- Внешний вид управляющего устройства электровелосипеда В качестве датчика тока используется шунт R1, низковольтный сигнал которого нормируется операционным усилителем AD 8551 с коэффициентом усиления 50 и подается на вход АЦП платы Arduino 230

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Nano. Второй сигнал управления с рулевой ручки акселорометра оцифроввывается микроконтроллером и является входом задания микроконтроллера.

Рисунок 3 – Электрическая принципиальная схема платы управления Плата Arduino Nano выполняет роль цифровой системы управления моментом двигателя. С этой целью используется контур регулирования оценки тока якоря. Последняя вычисляется в соответствии с балансом мощностей через тока источника. Усиление сигнала ШИМ-управления из микроконтроллера осуществляется при помощи драйвера IR2104. В качестве силовых полупроводников используются диод Шоттки и транзистор IRLZ44N. Блок-схема программы приведена на рисунке 4. Для обеспечения точности работы интеграторов системы управления необходимо соблюдать точное время итерации. В связи с этим код делится на 2 части: в первой части выполняются некритично зависящие от времени выполнения участки кода, такие как ситывание показаний АЦП, вывод отладочной информаци и задание скважности ШИМ, а во

231

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

втором – весь расчёт системы управления. Для обеспечения точности времени итерации этого участка кода применяется аппаратное прерывание по таймеру. Прерывания по таймеру вызывается каждые 200мкс независимо от первого участка кода и по завершению расчётов возвращается в то место, на котором было вызвано. Начало

Инициализация

Вычисление корректировочного коэффициента

Произошло прерывание по таймеру?

Да

Нет Расчёт выхода регулятора

Считывание сигнала задания скорости и текущего значения тока

Ограничение выхода регулятора

Вывод управляющего воздействия посредством ШИМ

Фильтрация и масштабирование выхода регулятора

Вывод отладочной информации посредством UART

Выход из прерывания

Рисунок 4- Блок-схема программы На рисунке 5 представлен результат работы реального устройства. На графике приведены 3 сигнала: сигнал задания тока якоря, сигнал задания скважности ШИМ и сигнал оценки тока с датчика. Сигнал задания тока якоря зависит от положения ручки акселератора и подаётся на вход системы управления. Сигнал задания скважности ШИМ — это выход регулятора, в данной системе применяется ПИ регулятор тока. Сигнал оценки тока якоря — это обратная связь для регулятора тока. На графике видно работу регулятора тока на холостом ходу, в начальный момент подачи задания тока двигатель неподвижен, регулятор подаёт задание на напряжение преобразователя, в цепи начинает протекать пусковой ток, на входе регулятора появляется сигнал рассогласования, который накапливается в интегральной части до тех пор, пока регулятор не уйдёт в насыщение, поддерживая ток в 232

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

цепи. После снятия задания выход интегратора обнуляется и задание на напряжение не поступает, двигатель переходит в режим торможения свободным выбегом.

Задание тока якоря Оценка тока Скважность

Рисунок 4 – Диаграммы работы контура тока оценки тока якоря Выводы

В работе предложен вариант системы управления нереверсивным преобразователем постоянного напряжения для электропривода велосипеда.

Перечень ссылок

1.Электрический велосипед/ Электронный ресурс. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_велосипед (Дата обращения: 20.04.2020). 2. Дешёвый подвесной редукторный мотор MY1018, вместо бафанга и циклона/ Электронный ресурс. Режим доступа:https://electrotransport.ru/ussr/index.php?topic=52733.0(Дата обращения: 20.04.2020).

233