Трансформаторно-тиристорный модуль с микропроцессорной системой управления для улучшения качества электроэнергии цеховых сетей

На правах рукописи

Ваганов Сергей Александрович

ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ МОДУЛЬ

С МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЦЕХОВЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.09.12 – Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2006

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете на кафедре "Промышленная электроника".

Научный руководитель		кандидат технических наук, профессор Кириенко Владимир Петрович
Официальные оппоненты		доктор технических наук, профессор Иванов Александр Григорьевич кандидат технических наук Копелович Евгений Альбертович
Ведущая организация		ЗАО "НПО "Промэнерго" (г. Нижний Новгород)

Защита состоится " 22 " декабря 2006 г. в 14 часов в аудитории №1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 в Нижегородском государственном техническом университете (603600, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 15 " ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент В.В. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электроэнергия является важнейшим сырьем, потребляемым в процессе материального производства. Её качество существенно влияет на технико-экономические характеристики и надежность работы электрооборудования. Провалы, колебания, отклонения, несимметрия напряжений, а также другие факторы приводят к экономическим потерям из-за неоптимальной работы электроприемников и увеличения брака продукции. Особая роль в ухудшении показателей качества электроэнергии (ПКЭ) принадлежит мощным электроприемникам с резкопеременными режимами энергопотребления. В России и за рубежом ведутся работы в направлении улучшения ПКЭ путем совершенствования существующих, а также создания и внедрения новых технологий и устройств.

В настоящее время разработано несколько вариантов трансформаторно-тиристорных устройств для регулирования ПКЭ в цеховых электросетях:

1. Устройства регулирования напряжения под нагрузкой с тиристорно-контактным способом коммутации отводов (УРПН с ТКУ).
2. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы (УШР).
3. Статические тиристорные компенсаторы (СТК).
4. Бесконтактные трансформаторно-тиристорные регуляторы показателей качества электроэнергии.
5. Силовые параллельные фильтры для компенсации неактивных составляющих мощности.

К числу таких устройств относятся и различные варианты трансформаторно-тиристорных модулей (ТТМ) с микропроцессорной системой управления (МПСУ). Анализ показал, что ТТМ обладают широкими функциональными возможностями для улучшения ПКЭ. Однако, их применение для мощных цеховых электроприемников с резкопеременными режимами работы ограничено из-за невысокого быстродействия используемых МПСУ.

Таким образом, решение комплексной проблемы разработки быстродействующей микропроцессорной системы управления ТТМ для улучшения ПКЭ в цеховых сетях, содержащих мощные электроустановки с резкопеременными режимами энергопотребления, является актуальным.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и в исследовании новой микропроцессорной системы управления для трансформаторно-тиристорного модуля, обеспечивающей в режиме реального времени улучшение параметров качества электроэнергии цеховых сетей, в составе которых находятся мощные электроустановки с резкопеременными режимами энергопотребления.

Задачи диссертационной работы:

1. Исследование режимов работы промышленного цеха и некоторых, мощных цеховых электроприемников, характеризующихся резкопеременными режимами энергопотребления. Определение технических требований к новой микропроцессорной системе управления для трансформаторно-тиристорного модуля.
2. Разработка теоретически обоснованной математической и компьютерной моделей процесса многокритериального поиска оптимального стационарного режима работы трансформаторно-тиристорного модуля на основе критерия аддитивной свертки с расчетными методами выбора весовых коэффициентов для частных критериев оптимальности.
3. Адаптация алгоритма управления трансформаторно-тиристорным модулем для обеспечения достаточного быстродействия микропроцессорной системы управления. Анализ и выбор различных вариантов микропроцессорных средств.
4. Разработка новой быстродействующей микропроцессорной системы управления для трансформаторно-тиристорного модуля в виде комплекса программных и аппаратных средств. Анализ методов обеспечения надежной работы в условиях промышленного цеха.
5. Создание и испытание макета трансформаторно-тиристорного модуля с микропроцессорной системой управления, анализ результатов испытаний макета и сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами компьютерного моделирования.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись методами: теории линейных электрических цепей, теории решения многокритериальных задач. При разработке микропроцессорной системы управления использовался метод неразрывного проектирования, метод разделения процессов во времени, принятый из теории решения изобретательских задач. Создание и отладка программных продуктов осуществлялась с помощью методов объектно-ориентированного и структурного программирования, сред разработки программ Visual Basic 6.0, ARM Developer Suitkit, ARM External Debugger, а также внутрисхемного эмулятора ARM Embedded ICE. Экспериментальная часть выполнялась с применением персонального компьютера, цифрового осциллографа Tektronix TDS1002, цифрового вольтметра ЦВ2201.

Связь с научно-технической программой:

Работа выполнялась в рамках ведомственной научно-технической программы министерства образования и науки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы" на 2005 – 2006 г.г. (Подпрограмма 2 "Прикладные исследования и разработка по приоритетным направлениям науки и техники". Раздел 2.1 "Прикладные исследования". Направление "Энергетика". Проект "Разработка нового поколения полупроводниковых преобразователей и автоматизированных систем управления для повышения энергетической эффективности специальных электротехнологических и электромеханических комплексов". Исполнитель НГТУ.)

Научная новизна:

1. Предложена целевая многокритериальная функция выбора оптимального стационарного режима трансформаторно-тиристорного модуля на основе критерия аддитивной свертки, позволяющая учитывать соотношение степени важности различных параметров качества электроэнергии.
2. Разработаны компьютерные модели, позволяющие исследовать процесс работы трансформаторно-тиристорного модуля с микропроцессорной системой управления в стационарных режимах, рассчитывать значения параметров качества электроэнергии с учетом предложенной многокритериальной целевой функции.
3. Показана техническая возможность создания современной микропроцессорной системы управления трансформаторно-тиристорным модулем, способной выполнять в режиме реального времени улучшение параметров качества электроэнергии цеховых сетей с резкопеременными режимами работы электроприемников.
4. Разработан специализированный алгоритм для микропроцессорной системы управления трансформаторно-тиристорным модулем на базе микроконтроллера AT91M63200. Алгоритм разделяет во времени процедуры расчета номера оптимального режима работы трансформаторно-тиристорного модуля и управления им в реальном времени.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработана методика многокритериального поиска оптимального режима работы трансформаторно-тириторного модуля с микропроцессорной системой управления для улучшения параметров качества электроэнергии. На ее основе дана оценка эффективности применения стабилизатора трехфазного напряжения в цехе металлообработки ЗАО "Стромизмеритель" (г. Нижний Новгород).
2. Разработана и испытана современная микропроцессорная система управления устройствами на базе трансформаторно-тиристорного модуля в режиме реального времени для улучшения параметров качества электроэнергии в цехах, содержащих мощные электроприемники с резкопеременными режимами энергопотребления.
3. Разработаны программные комплексы TTM_INFO и TTM_PR, позволяющие получить готовую программу управления устройством для улучшения параметров качества электроэнергии на базе трансформаторно-тиристорного модуля. Эти же программные комплексы выполняют компьютерное моделирование работы данного устройства в стационарных режимах.
4. Создан макет стабилизатора трехфазного напряжения на базе трансформаторно-тиристорного модуля с микропроцессорной системой управления. Выполнены экспериментальные исследования качества стабилизации и снижения несимметрии линейных напряжений, быстродействия устройства, безаварийности динамических режимов его работы. На основе результатов испытаний макета выполнен технический проект промышленного трехфазного стабилизатора напряжения с МПСУ, предназначенного для работы в составе автоматических дозирующих смесительных линий стекольных цехов производимых ЗАО "Стромизмеритель" (г. Нижний Новгород).

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы:

• при создании действующего макета трансформаторно-тиристорного модуля в ЗАО “Стромизмеритель” (г. Нижний Новгород). Работа выполнена по х/д №2000/1439, заключенным между НГТУ и ЗАО “Стромизмеритель”;
• при проектировании новой серии промышленных трехфазных стабилизаторов напряжения в ЗАО “Стромизмеритель”. Использованы материалы патента России №2209501, кл. 7H02M5/12, 5/257 – "Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях и устройство для его осуществления" [12], а также материалы базы данных №2002620026 – "Параметры электроэнергии на выходных зажимах трансформаторно-тиристорного модуля при различных режимах его работы" [4].

Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2003), научно-техническом форуме «Будущее технической науки Нижегородского региона» (Нижний Новгород, 2003), IX международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики» (Нижний Новгород, 2004, 2006), Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2006).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе получены: патент России №2209501 и авторское свидетельство о регистрации базы данных №2002620026.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, четырех приложений. Объем диссертации составляет 169 страниц основного текста, 72 рисунка, 39 таблиц, список литературы из 125 наименований, 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе осуществлена постановка задачи улучшения ПКЭ с помощью ТТМ с МПСУ в цехах содержащих мощные электроприемники с резкопеременными режимами работы.

Отмечено, что качество электроэнергии в России, согласно публикациям экспертов, работающих в области электроснабжения, признается невысоким по различным причинам, в том числе из-за низкого уровня использования устройств регулирования ПКЭ. Показано влияние отдельных ПКЭ из ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” на работу электроприемников. Сделан вывод об актуальности разработки новых и совершенствовании существующих устройств для улучшения ПКЭ.

Дан обзор исследований и разработок в области силового трансформаторно-тиристорного оборудования применяемого для регулирования ПКЭ цеховых сетей. В работах В.В. Порудоминского, С.С. Окуня, Б.Ю. Алтунина, В.А. Сучкова рассмотрены устройства УРПН с ТКУ. Исследования М.С. Либкинда, А.М. Бамдаса, Е.Д. Фридлендера, Х. Беккера, В. Крамера посвящены устройствам УШР. Различные варианты СТК представлены в работах Ю.С. Железко, А.К. Шидловского, Ю.К. Розанова, В.А. Чванова, а бесконтактные трансформаторно-тиристорные регуляторы ПКЭ - в трудах В.С. Климаша и И.Г. Симоненко. Теоретические и экспериментальные исследования ТТМ приведены в монографиях и публикациях И.М. Туманова, А.И. Чивенкова, А.А. Асабина, а силовых фильтров для компенсации неактивных составляющих мощности - в работах В.П. Кириенко, Е.А. Копеловича.

Рассмотрены принципы и особенности функционирования ТТМ. Прогнозируемое значение периода повторения (ПП) МПСУ составляет на этапе проектирования 80 мс, а системы ТТМ с МПСУ - 200 мс. Предложена оценка эффективности применения системы ТТМ с МПСУ – коэффициент использования ТТМ, определяемый формулой (1).

, (1)

где tПП – время запаздывания регулирования, равное периоду повторения системы ТТМ с МПСУ;

tН – наименьшая из длительностей импульса и паузы резкопеременной нагрузки. При этом принимается допущение, что импульс нагрузки имеет прямоугольную форму.

Выполнено исследование циклограмм ряда цеховых технологических электроприемников с резкопеременным характером энергопотребления: машины контактной сварки (рис. 1), крупного вытяжного пресса (рис. 2), многокомпонентного смесителя стекольной шихты (рис. 3).

Рис.1. Типовая циклограмма потребления мощности машиной контактной сварки	Рис. 2. Циклограмма потребления мощности электроприводом крупного вытяжного пресса

Рис. 3. Циклограмма потребления мощности многокомпонентным смесителем, стекольной шихты установленным на ОАО "Салаватстекло"

Для рассмотренных электроприемников длительности стационарных состояний составляют от двух и более секунд до нескольких минут. Таким образом, для этих групп цеховых нагрузок применение ТТМ с МПСУ с периодом повторения 200 мс для регулирования ПКЭ является оправданным и эффективным. Качество регулирования может быть достаточно высоким (К 90%), при этом улучшение ПКЭ с помощью ТТМ будет выполняться в режиме реального времени.

Во второй главе проведен анализ обобщенной математической модели стационарных режимов работы ТТМ и базы данных, полученных при участии автора. Отмечено, что они составляют информационную основу для новой МПСУ. Кратко охарактеризованы динамические режимы ТТМ.

Функционирование системы ТТМ с МПСУ при изменении ПКЭ в цеховой сети состоит в выборе нового стационарного режима работы и соответствующих переключениях тиристорных ключей.

Выполнены обоснование алгоритма, постановка и решение задачи поиска оптимального стационарного режима работы для ТТМ на основе методов теории выбора и принятия решений. Это позволяет трактовать результаты поиска как теоретически обоснованные, а также в процессе оптимизации учитывать важность отдельных ПКЭ с помощью весовых коэффициентов.

Поиск оптимального номера стационарного режима работы (у ТТМ выделен 151 такой режим) является задачей многокритериальной дискретной оптимизации.

Для ТТМ автором предлагается в качестве набора частных критериев использовать ПКЭ из табл.1.

Таблица 1

Задачи, решаемые ТТМ, и соответствующие им критерии

Задача	Критерий, соответствующий задаче
Регулирование и стабилизация трехфазного напряжения	U – относительное отклонение напряжения от величины уставки; K2U – коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности; K0U – коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (только для модификации ТТМ, позволяющей корректировать K0U).
Стабилизация и симметрирование потребляемых из сети токов нагрузки	I – относительное отклонение тока от величины уставки; K2I – коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности;
Компенсация реактивной мощности	Q – величина потребляемой реактивной мощности.