Повышение эффективности средств плавной коммутации электроустановок в условиях критических нагрузок на предприятиях

На правах рукописи

4. БЕКМАЧЕВ Александр Егорович

Повышение эффективности средств плавной коммутации электроустановок в условиях критических нагрузок на предприятиях АПК

5. Специальность:

05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кондратьева Надежда Петровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Андрианова Людмила Прокопьевна

(ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», г.Уфа)

доктор технических наук, профессор

Башилов Алексей Михайлович

(ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П.Горячкина», г.Москва)

Ведущая организация: ГНУ ВИЭСХ, г. Москва

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО ИжГСХА.

С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте: http://izhgsha.ru

Автореферат разослан 20 апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Н.Ю. Литвинюк

Актуальность темы. Современное предприятие агропромышленного комплекса (АПК) характеризуется все более широким внедрением промышленных методов хозяйственной деятельности. Увеличение степени автоматизации производства и переработки сельхозпродукции и широкое применение многочисленного электрического оборудования в быту и подсобных хозяйствах определяют и высокие современные темпы роста энергопотребления.

Наряду с этим, на предприятиях АПК возникают проблемы, связанные со слабым развитием инфраструктуры местных распределительных сетей сельскохозяйственных потребителей (СМЭС) – недостаточная мощность источников электроэнергии, значительные потери из-за высокой протяженности линий электропередач от распределительных подстанций до потребителей, неравномерность распределения нагрузки по фазам. Отчасти такая ситуация связана со взрывным характером роста энерговооруженности АПК в последние годы, что сложно было спрогнозировать в период проектирования и строительства СМЭС в предыдущие десятилетия. В дальнейшем для нагрузки, мощность которой соизмерима с мощностью источника, введено понятие «критической нагрузки» (КН). Следствием КН является низкое качество электроэнергии на стороне потребителя: высокочастотные шумы, провалы и выбросы напряжения, выходящие за пределы, допустимые ГОСТ 13109-97.

Следствием низкого качества электроэнергии являются как прямые убытки из-за нарушений технологических процессов, вызывающих снижение выхода годной продукции, из-за простоев, внеплановых ремонтов так и убытки от дополнительных капитальных затрат на замещение преждевременного выводимого из эксплуатации электрооборудования (ЭО).

Учеными в области применения электротехнологий в сельскохозяйственном производстве и управления качеством электроэнергии в распределительных сетях: Л.Г.Прищепом, И.Ф.Бородиным, Д.С.Стребковым, А.М.Башиловым, Ю.М.Жилинским, Л.П.Шичковым, В.С.Литвиновым, В.А.Козинским, А.К.Лямцовым, А.И.Учеваткиным, Л.П.Андриановой, Н.П.Кондратьевой, А.С.Степановым и другими разработаны теоретические основы эффективного использования электрической энергии и указаны экономичные способы повышения её качества.

В частности, наряду с применением пассивных корректирующих устройств на стороне трансформаторных подстанций признано эффективным использование средств плавной коммутации в составе электроустановок, что обеспечивает инвариантность рабочих режимов аппаратуры потребителя к неблагоприятным факторам МЭС и позволяет увеличить срок эксплуатации ЭО.

В связи с тем, что механические и реакторные устройства ограничения пусковых токов морально устарели и экономически неэффективны, а новый класс полупроводниковых ключей – IGBT-транзисторы - еще достаточно дорог, сохраняется интерес к схемотехническим решениям с использованием детально проработанных тиристорных устройств плавного пуска на классическом законе фазового управления и его модификациях, таким, например, как распространенный в промышленности тиристорный регулятор напряжения с синхронно-фазовым управлением.

Вместе с этим, анализ специальной литературы показал, что формирование новых функций регулирования, создание аппаратных средств контроля и диагностики параметров местной электрической сети (МЭС) позволяют создать конкуренцию новой схемотехнике при сравнимых технико-экономических характеристиках, что весьма ценно.

Таким образом, предлагаемое в работе техническое решение проблемы «последней мили», то есть улучшение качества электроэнергии в СМЭС на стороне 0,4 кВ и повышение технологических и экономических показателей работы различных электроустановок в условиях критической нагрузки, является актуальным. Не вызывает сомнений и актуальность разработки методов определения расчетных нагрузок на базе имитационного и математического моделирования, а также критериев диагностики и тестирования на наличие КН в той или иной МЭС.

Исследования и разработки выполнялись автором в соответствии с комплексными темами НИС ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» (2000…2010гг.) в рамках государственной программы 0.51.21, задание 02 – «Разработать и внедрить новые методы и автоматизированные технические средства применения электрической энергии в технологических процессах сельскохозяйственного производства».

Цель работы состоит в научном обосновании и разработке средств плавной коммутации нагрузки потребителей на предприятиях АПК, обеспечивающих требуемые показатели качества электрической энергии в местных распределительных сетях сельскохозяйственных потребителей и позволяющих повысить надежность, экономичность и увеличить срок эксплуатации электроустановок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• оценка различных способов плавной коммутации нагрузки в сетях переменного тока на основе анализа зарубежной и отечественной специальной литературы и исследование причин появления КН в МЭС/СМЭС;
• исследование свойств и характеристик МЭС на стороне низкого напряжения и специфики их воздействия на приемники электрической энергии, анализ значимых показателей качества электроэнергии для прикладных работ по диагностике и тестированию МЭС на наличие КН;
• разработка математической модели изменения нагрузки МЭС/СМЭС во времени, изучение модели, ее адекватности с учетом экспериментальных данных, разработка комплексного показателя качества МЭС/СМЭС и анализ эффективности фазового способа управления активной и активно-индуктивной нагрузкой в сетях переменного тока промышленной частоты применительно к тиристорам, разработка на его базе новой функции регулирования;
• аппаратная реализация нового класса коммутационных устройств на базе анализа экспериментальных и расчетно-математических данных с определением характеристик изделий в лабораторных условиях и в инфраструктуре аппаратуры реальных СМЭС;
• разработка технических требований на устройства плавного пуска, для преимущественного применения на объектах АПК и выработка рекомендаций и инструкций, обеспечивающих эффективное применение устройств плавной коммутации на производственных и бытовых объектах в СМЭС, подверженных КН.

Объектом исследования является система плавной коммутации электрооборудования и СМЭС, снабжающие эти потребители электрической энергией.

Предметом исследования является установление закономерностей изменения качественных показателей работы электроустановок по математическим, компьютерным и натурным моделям.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Теоретические исследования основаны на использовании методов вычисли-тельной и прикладной математики, положений математической статистики и теории выбросов случайных процессов.

В экспериментальных исследованиях разработанных моделей и алгоритмов использовано математическое и имитационное моделирование электронных схем с использованием программных пакетов Electronic Workbench v.5.0, Accel 2000, проведен анализ накопленных статистических данных с помощью табличного редактора MS Excel 2000 и программного пакета Matlab.

Достоверность и обоснованность подтверждается результатами практического применения разработанных методов, алгоритмов, программных средств и образцов устройств плавного пуска, научными трудами и апробацией созданного научно-технического продукта на представительных научных форумах. Полученные в работе результаты и выводы подтверждаются при их сравнительном анализе с известными результатами современных исследований и разработок.

Теоретические положения работы, обосновываются адекватным выбором исходных посылок и последовательным применением математического аппарата при получении из них выводов, а также верификацией этих выводов данными систематического исследования полученных аналитических результатов.

Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими выводами, достоверность обеспечена использованием аттестованных контрольно-диагностических средств, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и воспроизводимостью результатов, апробацией основных материалов исследования в лабораторной и производственной практике.

На защиту выносятся следующие положения:

• способ автоматического изменения фазового угла в тиристорном регуляторе на базе синтезированной функции регулирования и аппаратная реализация тиристорного устройства плавного пуска;
• результаты исследования динамических показателей СМЭС стандартными средствами измерений;
• зависимость качества СМЭС от наличия или отсутствия устройств корректировки;
• результаты лабораторных исследований и производственной эксплуатации с технико-экономической оценкой эффективности предлагаемых технических решений.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

- теоретически и экспериментально установлена целесообразность совершенствования устройств плавной коммутации электрооборудования в СМЭС, подверженных воздействию критической нагрузки, при котором обеспечивается получение как минимум паспортных характеристик электроустановок и даже увеличение срока их эксплуатации;

- предложена и исследована методика и опытная установка ускоренных ресурсных испытаний в режиме частых включений на примере облучательных / обогревательных ламп для сравнительного определения срока службы ЭО, позволяющая оценить эффективность устройства плавной коммутации, долговечность и безотказность электроустановок;

- получена математическая модель определения закономерностей изменения нагрузки СМЭС во времени на основе теории выбросов случайного процесса;

- введено понятие критической нагрузки в сети, разработан интегральный критерий качества СМЭС в условиях КН;

- полученная математическая модель совместно с комплексным критерием качества СМЭС является основой методики создания надежного и экономичного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Практическая ценность работы:

- разработана оригинальная схемотехническая реализация устройства плавного подключения мощной электрической нагрузки, не требующая модификации существующей ПЗА;

- разработаны технические требования и в условиях реальной хозяйственной деятельности опробовано устройство плавного включения нагрузки для сетей переменного тока промышленной частоты, позволяющее ограничить пусковые токи;

- доказана возможность и определены пути улучшения качества СМЭС, повышения безопасности и комфортности работы персонала на электроустановках, содержащих движущиеся рабочие органы, повышения ресурса электроустановок, чувствительных к перегрузкам;

- проведены теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие на базе построенных математических моделей и полученных экспериментальных данных описать и спрогнозировать поведение потребителя электрической энергии в реальных СМЭС в условиях КН.

Реализация результатов исследования.

- разработанное тиристорное устройство автоматического плавного включения электрической нагрузки применено в системах освещения, электропитания и вентиляции в ФГУП «УОР-808 УССТ-6», г.Ижевск; ГУП «Птицефабрика «Вараксино», г. Ижевск; СПК «Туклинский» Увинского р-на Удмуртской Республики; ООО «Регион», г. Ижевск, о чем получены соответствующие отзывы и акты внедрения;

- способ реализации плавного пуска и устройство для его реализации защищены патентом РФ;

- разработанный комплексный критерий качества МЭС был использован как элемент предварительного анализа объекта при разработке систем защиты информации;

- разработанное оборудование успешно прошло производственную проверку в течение 2 лет на предприятиях Удмуртской Республики;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при выполнении курсового и дипломного проектирования и в научных работах ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» и ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (ИжГТУ).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных сессиях ТУСУР г. Томск (2008-2009 гг.); XX международной научно-практической и III научно-технической конференциях ИжГТУ (2005-2006 гг.); XVIII, XIX, XX, XXI научно-практических конференциях ИжГСХА (1998-2001 гг.); научно-практических конференциях РГАЗУ-ВСХИЗО, г. Балашиха (1998-2000 гг.).

Публикации. Основные результаты научной работы отражены в 19 печатных работах, в том числе:

- в изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 7 статей, включая 2 патента РФ на полезную модель;

- в сборниках научных трудов, материалах научных конференций – 12 статей.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 127 с. текста, а также 7 приложений. В работу включены 37 рис., 4 табл. Список использованной литературы включает 140 наименований, из которых 9 на иностранном языке. В приложениях представлены акты об использовании результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи, определены объект, предмет исследований и дано краткое изложение основных понятий и положений, выносимых на защиту.

В первой главе «Анализ способов плавной коммутации нагрузки. Анализ причин появления критической нагрузки в сетях, ее влияние на показатели качества электроэнергии» дан обзор этапов и основных моментов рассматриваемой задачи, проведен патентно-информационный поиск. Доказана перспективность научных исследований и опытно-конструкторских работ по разработке электронного блока плавного включения для применения в составе стандартной пускозащитной аппаратуры (ПЗА).

Дан анализ и классификация электроустановок по условиям пуска. Показано, что для большинства электроустановок в сетях с КН условия пуска являются тяжелыми.

Установлено, что эффективным средством энерго- и ресурсосбережения в МЭС/СМЭС с КН является плавная коммутация нагрузки. Ее сущность состоит в постепенном изменении действующего значения напряжения, подводимого к нагрузке, от нулевого до номинального. При работе с активной или активно-индуктивной нагрузкой действующее значение напряжения может быть изменено двумя способами: изменением амплитуды напряжения при сохранении синусоидальности и «отсечением» части площади синусоиды при сохранении исходной амплитуды. Изначально применялись, в основном, три метода плавного подключения нагрузки, два из которых реализуют изменение амплитуды питающего синусоидального напряжения.

Первый способ – трансформаторный, заключается в изменении числа витков цепи вторичной обмотки трансформатора. При явной простоте, способ характеризуется дороговизной и громоздкостью аппаратной части, пропорциональными мощности устройств, большими тепловыми и индукционными потерями. Глубокое регулирование, то есть большой диапазон изменения мощности вторичной цепи трудно достижимы. Второй способ – потенциометрический. Это простое техническое решение, однако, величина непроизводительных энергозатрат велика.

Еще одним классом устройств плавной коммутации являются различные варианты механических центробежных муфт. Эти устройства позволяют бесступенчато изменять долю мощности, передаваемой с вала электродвигателя на вал ведомого механизма. Недостатки таких регуляторов мощности – наличие значительных вращающихся масс, отбирающих мощность от системы, большой объем регламентных работ по обслуживанию муфт.

Широкие возможности по плавной коммутации и управлению мощностью нагрузки предоставляет схемотехника на базе тиристоров и симисторов.

При этом базовым способом является фазовое управление, когда вентильные элементы включаются и выключаются синхронно с переменным напряжением источника питания и подключают последний к нагрузке на определенную регулируемую часть каждого периода. Этот способ позволяет эффективно и экономно регулировать среднее значение мощности, подводимой к нагрузке. Регулировка осуществляется путем изменения фазового угла, при котором происходит отпирание тиристора, когда последний проводит ток только в течение оставшейся части соответствующего полупериода. В главе систематизированы схемотехнические варианты реализации фазового метода управления нагрузкой на основе тиристоров.

Дано сравнение схем плавной коммутации и регулировки мощности электрической нагрузки на тиристорах и новом классе полупроводниковых ключей – IGBT-транзисторах. Показано, что схемотехника IGBT-транзисторов позволяет легко создавать одно- и трехфазные управляемые инверторы напряжения с ШИМ-управлением. Однако для их полноценного использования требуется микроконтроллерное управление с развитой системой обратных связей, а также звено постоянного тока на мощных диодах, что удорожает устройство в целом. Несмотря на лучшие параметры переключения (повышенная частота, устойчивость к dU/dt) по сравнению с тиристорами, IGBT уступают последним по устойчивости к импульсным токовым перегрузкам.