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

Для сравнения можно привести области практического применения технических средств реализации плавного включения нагрузки - полупроводниковых ключей при использовании их в составе регуляторов мощности, рис. 2.

Таким образом, в главе показано, что в перспективе целесообразно использовать тиристоры в качестве ключевых элементов в регуляторах малой, средней и большой мощности для сетей переменного тока. Точность фазовых регуляторов – 5…8% - достаточна для большинства задач: коммутации систем освещения, коммутации в системах автоматики и телемеханики, электрического обогрева, двигателей электроприводов стационарных механизмов и ручного электроинструмента, бытовой электрической техники и электрических средств малой механизации и автоматизации.

Однако требуется такое техническое решение фазового регулятора, которое бы позволяло обеспечивать автоматическую или управляемую коммутацию нагрузки. При этом важно обеспечить низкую начальную и эксплуатационную стоимость такого устройства при высокой надежности и ремонтопригодности. В главе эти положения решены как прикладная задача.

С этой целью произведен обзор теоретического материала для обеспечения решения поставленной задачи и рассмотрены наиболее эффективные способы реализации среди существующих на рынке устройств. Вопросы управления тиристорами глубоко проанализированы в работах д.т.н., проф. Л.П.Шичкова, в частности, применительно к преобразовательной технике электроустановок в АПК.

Большую практическую ценность представляет техническое решение, защищенное патентом РФ № 2066915 «Устройство регулирования мощности». Оно использовано в серийно выпускаемой предприятием «НТЦ «СИТ», г.Брянск, интегральной микросхеме (ИМС) КР1182ПМ1. При очевидных достоинствах ИМС КР1182ПМ1 существует ряд эксплуатационных ограничений, на которые указывает сам производитель. Недостаток ИМС КР1182ПМ1 состоит в том, что не реализован режим автоматического плавного пуска при подаче сетевого напряжения. Кроме того, трудно реализуем режим повторного плавного пуска. Это вызывает токовую перегрузку микросхемы и может привести к выходу её из строя.

Таким образом, требуется экономичное и технически эффективное решение автоматического плавного включения при подаче сетевого напряжения и обеспечивающее надежную работу устройства в режиме частых включений.

Во второй главе «Исследование динамики изменения основных показателей качества электроэнергии в сельских местных электрических сетях, подверженных влиянию критической нагрузки» оценено влияние показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на общую электромагнитную совместимость объектов, где наиболее явственно проявляется наличие КН и ее влияние очень ощутимо: зерносушильный комплекс, комбикормовый цех, цех первичной переработки, гараж (машинно-тракторная станция), садоводческое товарищество; выделены наиболее значимые из ПКЭ. Типичным примером обособленного объекта служит птицефабрика полного цикла, расположенная в загородной зоне. Показано, что электроприемники на подобных объектах, особенно чувствительны к отступлению показателей качества электроэнергии от нормально допустимых.

В главе проведено исследование основных показателей качества электроэнергии обособленных объектов. На первом этапе задокументированы ПКЭ на оборудовании ТЭЦ-2 г.Ижевска: ток ротора ТГ№2, напряжение статора ТГ№2, выходная мощность (статора) ТГ№1. Результаты измерений даны на рис. 3. Анализ показывает, что контролируемые параметры находятся в нормально допустимых пределах, что говорит о стабильности сети на стороне высокого напряжения. На втором этапе исследовано качество СМЭС при различных способах коммутации нагрузки. Замеры были проведены на КТП 250-10/0,4 в РЭС «Ува» (пос. Ува, УР) на стороне 0,4 кВ. В качестве регистратора использовался прибор Н393. В этом случае исследовался основной показатель качества электроэнергии – отклонение напряжения от номинального значения. Показания прибора приведены на рис. 4. Аналогичные замеры отклонения напряжения от номинального значения были произведены с использованием компьютерного устройства сбора и анализа информации об основных ПКЭ «Прорыв-КЭ», рис. 5, 6. Таким образом, было получено документальное подтверждение наличия КН в СМЭС. Выделены основные базовые и производные ПКЭ, наиболее значимые для практического применения: среднее за период измерений значение напряжения Uср., установившееся отклонение напряжения Uу, размах изменения напряжения Ut.

Для получения численного критерия КН введен интегральный показатель на основе полученных экспериментальных данных: tUmin, c – суммарная длительность работы МЭС/СМЭС на пониженном напряжении (ниже минимально допустимого и предельного допустимого) за период наблюдений, tUmin = f(24tп, Uу, Ut, Uср.).

Наиболее доступным способом расчета tUmin является вычисление Umin на интервале 24 часа. За нормально допустимое значение tUmin на базе нормативов ГОСТ 13109-97 принят показатель 720 с. Для получения наиболее достоверных данных следует получить среднее значение для рабочих и выходных дней в летний и

зимний сезоны. В результате проведенного автором мониторинга реальных МЭС, полученные значения tUmin варьируются от 1800 с до 30600 с, что означает длительность их работы в условиях КН от 0,5 до 8,5 часа в течение суток.

На основе проведенных исследований самой действенной мерой предотвращения КН признано внедрение устройств плавного пуска, выработаны предложения по созданию лабораторной, а затем - и опытно-промышленной установки для апробации предложенных технических решений и разработаны соответствующие методики.

В третьей главе « Математическая модель изменения нагрузки в МЭС с КН и выбор оптимальной функции регулирования плавного пуска» установлено, что задача построения графика активной электрической нагрузки в МЭС с КН сводится к определению среднего числа выбросов траектории стационарного дифференцируемого случайного процесса над заданным уровнем, которое, в свою очередь имеет нормальное распределение вероятности.

На основе этой закономерности дано обоснование оптимальной функции регулирования при пуске электроустановки и показано, что управление коммутацией нагрузки наиболее целесообразно проводить по экспоненциальному закону, как учитывающему в полной мере физические свойства объекта управления, рис. 7. Дано математическое описание закономерностей изменения нагрузки в МЭС/СМЭС переменного тока применительно к длительности провалов напряжения. Произведен структурный синтез системы автоматического управления (САУ) с учетом физических характеристик объекта управления, рис. 8. Простейшая САУ для решения этой прикладной задачи представляет собой однокаскадное устройство с одной петлёй обратной связи.

Как известно, многие задачи энергетики являются нелинейными и часто не имеют аналитического решения. В связи с этим возникла необходимость применения методов статистического моделирования. При их использовании необходимо имитировать график активной электрической нагрузки с номинальной мощностью Рн, средней длительностью цикла tц, длительностью выбросов tв, продолжительностью t0=tц–tв по числу выбросов траектории случайного процесса. Исходя из того, что основным показателем, указывающим на наличие КН, является продолжительность работы МЭС при пониженном напряжении, примем критерий длительности нахождения наблюдаемой величины над/под критическим уровнем за базовый. Таким образом, нам необходимо решить задачу определения среднего числа выбросов траектории стационарного дифференцируемого случайного процесса над заданным уровнем.

Решение разнообразных задач электротехники и электроэнергетики требует необходимости исследования статистических свойств. При этом известно, что среднее число положительных выбросов N(с,1) траектории стационарного дифференцируемого случайного процесса (t) над заданным уровнем с периодом Т=1 определяется формулой Райса:

N(c,1) = (1)

в которой WW- совместная плотность вероятности для значений и = в совпадающие моменты времени t. Для негауссовых процессов функция не всегда поддается простому определению, что усложняет вычисление интеграла (1).

Вместе с тем, при определенных предположениях относительно структуры процессов , запись конечных выражений для (с,1) формально может осуществляться по одномерной плотности вероятности и корреляционной функции исследуемого процесса. Определим значение интеграла (1) для стационарных случайных процессов.

Рассмотрим произвольный стационарный дифференцируемый случайный процесс . Из свойства стационарности следует, что, независимо от вида его двумерной плотности вероятности , совместная плотность вероятности W будет всегда обладать некоррелированными (т. е. линейно–независимыми) переменными и . Это позволяет условно разделить все многообразие стационарных процессов на процессы, обладающие статистически независимой производной (в совпадающие моменты времени), и процессы, у которых значения и связаны между собой нелинейной функциональной зависимостью.

Если процесс обладает статистически независимой производной

W=W(, (2)

то формула (1) сразу же может быть переписана в виде

(с, 1)=. (3)

Значение интеграла является здесь числовой характеристикой одномерной плотности вероятности производной . Из свойств производной стационарного процесса известно, что функция характеризуется нулевым средним =0 и является симметричной =.

Кроме того, для многих процессов , обладающих свойством (2), функция является гауссовой:

=, (4)

где == - дисперсия производной. Это справедливо, в частности, для гауссова процесса, модуля гауссова процесса и их линейных преобразований. В некоторых случаях у негауссовых процессов , имеющих даже негауссово многомерное распределение производной , одномерная плотность вероятности все же является гауссовой функцией.

Подставив (4) в (3) и выполнив простое интегрирование, получим

(с, 1)=. (5)

Стационарные процессы, обладающие свойствами (2) и (4) назовем процессами первого класса. Следовательно, если относится к процессам первого класса, то число выбросов (с,1) траектории такого процесса полностью определяется выражением одномерной плотности вероятности и значением =. После выражения через спектральные характеристики, формула (5) примет физически более наглядный вид:

(с, 1)=. (6)

Спектральные моменты и показывают здесь влияние, соответственно, средней частоты среднеквадратичной ширины спектра исследуемого процесса на число выбросов, а значение функции в формулах (5) и (6) играют роль весового множителя, характеризующего относительное время пребывания траектории вблизи уровня =с. Формула (6) позволяет, кроме того, учитывать свойства широкополосности и узкополосности процессов и в нужных случаях получать соответствующие приближения.

Проведем теперь сравнение полученной формулы (5) с известной формулой для среднего числа выбросов случайного процесса , распределение которого представлено рядом Эджворта:

(с, 1)=, (7)

где - квазимоменты. Формула (7) справедлива для процессов близких к гауссовым, поэтому можно предположить С учетом нулевого среднего и четности функции это условие приводит к значениям и Тогда формула (7) примет вид

(8)

откуда следует, что для процессов с одномерной плотностью вероятности

(9)

известный результат (7) согласуется с полученным выводом (5).

Формула (8) также объясняет результат рассмотренного в работе практически важного примера для МЭС при КН. Таким образом, нами дано математическое описание закономерностей изменения нагрузки в МЭС/СМЭС применительно к длительности провалов напряжения.

Сходимость математической модели подтверждена сличением расчетных и фактических показателей tUmin – суммарной длительности работы МЭС на пониженном напряжении, рис. 10.

В четвертой главе «Экспериментальное автоматическое устройство плавной коммутации электрической нагрузки на основе тиристорного фазового регулятора» приведены результаты экспериментов с применением разработанного устройства плавного включения.

На основе стандартной схемы симисторного фазового регулятора, в сочетании с оригинальной фазосдвигающей RC-цепью с динамически изменяемыми параметрами, позволяющей плавно открывать симистор при подаче сетевого напряжения, создана и исследована оригинальная принципиальная электрическая схема, реализующая функции САУ. Это авторское решение защищено патентом России № 59338.

Разработано, описано и исследовано исполнение устройства плавного включения электрической нагрузки в реальных условиях эксплуатации, рис. 11.

В качестве лабораторного объекта для испытания устройства плавного включения нагрузки разработана и использована экспериментальная установка ускоренных ресурсных испытаний группы мощных облучательных ламп в режиме частых включений, рис. 12.

На практике получены объективные свидетельства эффективности устройств плавной коммутации, сравнительные диаграммы срока службы ламп приведены на рис. 14. Полный срок эксплуатации защищенных ламп составил в среднем от 1219 до 1918 часов при нормативном 50 % сроке службы 1000 часов, увеличение срока эксплуатации составило соответственно от 22 % до 92 %. Несомненно, что такой показатель трудно воспроизвести на реальном объекте, где есть комплекс возмущающих факторов электрического (нестабильность МЭС), физического (вибрация), химического (коррозия) характера и прочие.

С целью повышения достоверности данных устройство эксплуатировалось на ряде промышленных предприятий, где был получен положительный технологический эффект до 10-12 %. Типичная вольтамперная характеристика одной из опытных систем плавного пуска в период включения (рис. 13) хорошо согласуется с синтезированным графиком оптимальной функции регулирования (рис. 7). Таким образом, доказана технологическая целесообразность применения предложенного устройства.

В этой же главе обсуждены результаты опытно-промышленной эксплуатации устройств плавного пуска в составе систем освещения. Эксплуатация на ГУП "Птицефабрика "Вараксино" показала: в оборудованном птичнике отмечено снижение пульсации сетевого напряжения на 10 %, увеличение ресурса ламп накаливания типа Б230-240-100-1 на 10-12 %. Кроме того, в этом птичнике отмечено увеличение продуктивности кур-несушек на 2-3 %. Другим объектом, где проходила опытную эксплуатацию описанная система, является СПК «Туклинский» Увинского района УР. При этом также отмечено снижение пульсации сетевого напряжения в маточных корпусах №№1-5 на 8-10 %, увеличение ресурса ламп накаливания типа Б235-245-150-2 на 10-12 %.

На основе этих данных выполнен экономический расчет.

Расчет экономической эффективности использования устройств плавного пуска проводился по методу приведенных затрат. Для сравнения использовались два способа включения системы искусственного освещения (ИО) батарей птичника на 20000 голов: прямой пуск и плавный пуск по авторской схеме.

Результаты расчета приведенных затрат по ИО батареи птичника отражены в табл. 1, из которой видно, что при использовании авторского способа плавного пуска в сравнении с прямым пуском приведенные затраты в целом по птичнику уменьшились на 8,9%, а эксплуатационные расходы уменьшились на 17,6 %. Расчетный срок окупаемости инвестиций в модернизацию ИО птичника составил 1,62 года.

В приложениях помещены экспериментальные данные и результаты оценки качества электроэнергии для различных объектов, а также акты об использовании результатов диссертационной работы на предприятиях и технические требования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ