Системи групового живлення та управління електроспоживанням енергоємких установок і технологічних комплексів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Національна гірнича академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

05.09.03 - "Електротехнічні комплекси та системи "

Системи групового живлення та управління електроспоживанням енергоємких установок і технологічних комплексів

Сінолиций Анатолій Пилипович

Дніпропетровськ

2000



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованого електропривода Криворізького технічного університету Міністерства освіти України.

Науковий консультант: академік НАН України доктор технічних наук, професор Півняк Геннадій Григорович, Національна гірнича академія України Міністерства освіти України, ректор, завідувач кафедри електропостачання (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Клепіков Володимир Борисович, Харківський державний політехнічний університет Міністерства освіти України,завідувач кафедри автоматизованих електромеханічних систем (м. Харків);

доктор технічних наук, професор Садовой Олександр Валентинович, Дніпродзержинський державний технічний університет університет Міністерства освіти України, завідувач кафедри електрообладнання промислових підприємств (м. Дніпродзержинськ):

доктор технічних наук, професор Сінчук Олег Миколайович, Державне науково-виробниче об'єднання "Харківський електромеханічний завод" Міністерства палива та енергетики України, заступник директора (м. Харків).

Провідна установа: Інститут електродинаміки НАН України, відділ електроживлення технологічних систем (м. Київ).

Захист дисертації відбудеться 10 березня 2000 р. о 14 годині на засідані спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національній гірничій академії України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної гірничої академії України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий 7 лютого 2000 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технчних наук, доцент В.Т. Заїка



Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Сучасний етап створення новітніх технологій характеризується залежністю від показників використання енергоресурсів, у тому числі й електроенергії, масогабаритних характеристик електрообладнання, показників електромагнітної сумісності та надійності, функціональних можливостей електротехнічних комплексів (ЕТК) і систем (ЕТС). Для енергоємких технологій металургійної, гірничої, машинобудівної й інших галузей промисловості розподіл та використання електроенергії здійснюється за допомогою розгалужених мереж живлення групових установок і комплексів із перетворювальними пристроями (ПП). Це дає змогу представити такі мережі електроенергетичними системами (ЕЕС) з груповими перетворювальними пристроями (ГПП), показники ефективності яких визначаються технологічними характеристиками установок і комплексів і специфічними умовами формування групових режимів електроспоживання. Але тенденція енергоспоживання, яка склалася історично в Україні, не сприяла розвитку енергозберiгаючих технологій, що характерно для виробництв країн із розвиненою економікою. Відсутність єдиних підходів до формування та розрахунків режимів електроспоживання на технологічних рівнях ЕЕС часто є причиною реалізації недостатньо обгрунтованих рішень стосовно компенсації неактивних складових потужності, вибору раціональних структур, не враховуючих взаємозв'язок параметрів і процесів групи комплексів, особливостей технології. У цьому випадку число складових ефективності збільшується і для визначення їх впливу на узагальнюючi показники необхідні спеціальні дослідження й розробки.

Енергетичні процеси розгалужених мереж живлення енергоємких технологій характеризуються такими основними факторами:

- структурною і функціональною складністю об'єктів електроспоживання; об'єкти, як правило, розміщені в єдиній технологічній ланці з груповою або індивідуальною системами живлення, характеризуються великою вимірністю та жорсткими вимогами до якості управління;

- модернізацією технологічного процесу та відновленням технічної бази силової та інформаційно-управляючої частин ЕТК і ЕТС у зв'язку з впровадженням передових виробничих технологій, які змінюють умови формування й прогнозування показників електроспоживання;

- розподіленістю та нестабільністю навантажень у мережах ЕЕС, характером взаємовпливу та електромагнітної сумісності, що визначає надійність складних систем.

Більшість досліджень, пов'язаних із підвищенням показників електроспоживання, стосується поодиноких технологічних об'єктів і питання щодо вирішення проблеми ефективності в комплексі слід віднести до недостатньо вивчених. Найбільш проблематичним у цьому випадку є пошук нового ефективного методу розрахунків діючих значень базових параметрів у вузлах та енергетичних каналах розгалужених нелінійних мереж, який складає основу алгоритмів багатоваріантних розрахунків при обгрунтуванні та створенні високоефективних ЕЕС з ГПП. Розроблені на цей час інтегральний та спектральний методи базуються на графоаналітичних операціях і їх використання для ЕЕС з ГПП неефективно, а при складних мережах та режимах електроспоживання навіть неможливо. Це ускладнює отримання необхідної інформації про електромагнітні та енергетичні процеси в структурах ЕЕС і не сприяє обгрунтуванню оптимальних по електроспоживанню рішень. У зв'язку з цим актуальною є розробка нових підходів і принципів формування режимів електроспоживання ЕЕС з ГПП, котрі дозволяли б одержувати прийнятні, з точки зору практичної реалізації, рішення в умовах діючих і заново створюваних енергоємких виробництв.

Наукова проблема, що вирішується в дисертації, полягає в розвитку теорії і розробці практичних методів створення ефективних систем групового живлення та управління електроспоживанням енергоємких установок і технологічних комплексів в умовах керованого розподілу електроенергії, електромагнітного і енергетичного зв'язку між силовими ланками мереж і нестабільності навантажень. Під системами групового живлення розуміються розгалужені ЕЕС з одним або декількома загальними джерелами живлення силових елементів схем і керуванням електроспоживанням об'єктів шляхом використання регулюючих і компенсуючих властивостей перетворювальних пристроїв. У цьому випадку реальна система живлення замінюється її складовими - енергетичними моделями, котрі найбільш точно відображають енергообмінні процеси в наближених до навантажень ланках мереж з урахуванням декомпозиції складових потужності. З методичної точки зору вказана проблема вирішується на основі поєднання структурно-аналітичного моделювання складних нелінійних мереж і синтезу схем і алгоритмів управління, що в умовах взаємозв'язку енергетичних і технологічних режимів об'єктів визначає енергетичні залежності й параметри електрообладнання, якісні показники функціонування групових установок і комплексів.

Дослідження, які представлені в дисертації, виконані в рамках робіт, проведених автором у Криворізькому технічному університеті згідно з програмами розвитку народного господарства СРСР, УРСР і України, у тому числі:

- координаційними планами НДР АН УРСР на 1981-1985 р.р. (теми 1.9.6.2.2.1.13, 1.9.6.2.2.3);

- координаційними планами НДР АН УРСР на 1985-1990 р.р. (теми 1.9.2.2.1.4.15, 1.9.2.2.1.2);

- цільовою міжвузівською програмою "Автоелектропривод" на 1985-1990 р.р.;

- планами ряду міністерств та промислових підприємств на 1965-1995 р.р.

Метою роботи є розробка теоретичних основ та практичних методів створення систем групового живлення енергоємких установок і технологічних комплексів для підвищення їх ефективності та надійності шляхом прогнозування оптимальних режимів електроспоживання та реалізація цих режимів за рахунок використання схемотехнічних рішень з високими регулюючими й компенсуючими властивостями неактивних складових потужності в умовах розгалуження мереж та нестабільності навантажень.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішуються наступні задачі наукових досліджень:

Обгрунтування нових підходів і положень стосовно формування та розрахунків режимів електроспоживання в системах групового живлення енергоємких установок і технологічних комплексів на основі структурно-аналітичного моделювання нелінійних мереж та синтезу рівнянь балансу енергій в енергетичних ланках із нестабільними навантаженнями, які встановлюють якісні й кількісні характеристики енергообміну та визначають передумови для управління й контролю складовими повної потужності.

Розвиток теорії таких систем як особливого класу складних мереж живлення, отримання нових залежностей та характеристик за допомогою математичного опису процесів у системах "джерело-перетворювач-навантаження" за умов взаємозв'язку технологічних режимів об'єктів і взаємовпливу електромагнітних процесів у ланках мереж, обгрунтування на цій основі принципів побудови структур групового живлення з підвищеними експлуатаційними та масогабаритними характеристиками.

Визначення методичних основ створення високоефективних систем групового живлення з оптимальним рівнем складності силових і інформаційно-управляючих частин та розробка нових схемотехнічних рішень, що забезпечують реалізацію стратегії управління електроспоживанням за рахунок розширення складових ефективності на основі підвищених якісних показників групового живлення і управління.

Для визначення функцій структурно-аналітичного методу, безпосередньо пов'язаних із задачею формування та розрахунків режимів електроспоживання взаємозв'язаних за технологічним процесом групових установок і комплексів, у цій роботі вводиться поняття "енергетична модель".

В основу наукового узагальнення покладені:

- фундаментальні роботи з теорії складних перетворювальних пристроїв авторів С.Р. Глінтерніка, О.О. Булгакова, І.М. Чиженка, Б.М. Шляпошнікова, В.І. Сенька;

- дослідження з енергетичної теорії нелінійних мереж та методів підвищення ефективності систем з перетворювальними пристроями О.О. Маєвського, Г.С. Зінов'єва, Б.С. Замараєва, П. Пенфілда, Г. Супруновича, Г.Г. Жемерова, М.В. Гельмана, Д.Й, Родькіна, В.Д. Латишка, О.Г. Булатова, В.Ю. Тонкаля, Р. Дрехслера, О.В. Садового;

- теоретичні та застосовані дослідження для створення високоефективних систем живлення енергоємких установок і комплексів А.К. Шидловського, Г.Г. Півняка, І.В. Жежеленка, В.С. Іванова, В.І. Гордєєва, Ю.С. Желєзка, О.М. Сінчука, Я.Ф. Анісімова, Т.И. Томсона, Я.Ю. Солодухи, А.В. Праховника.

Ідея роботи полягає в підвищенні ефекту оптимізації показників електроспоживання за рахунок вирішення задач моделювання та розрахунку енергетичних процесів різнотипових нелінійних мереж на основі єдиного підходу й формування групового режиму електроспоживання з пріоритетом компенсації неактивних складових потужності безпосередньо пристроями управління поодинокими та груповими об'єктами.



Основні наукові положення та результати, їх новизна

Наукові положення, що виносяться на захист: Енергетичний зв'язок між об'єктами електроспоживання та об'єктами електропостачання в системах групового живлення задається багаторівневими енергетичними моделями з математичним описом електромагнітних процесів складних нелінійних мереж, а запровадження фактору елементарних спектрів у задачу визначення балансу енергій забезпечує формування залежностей між кількісними й якісними показниками електроспоживання та технологічними характеристиками об'єктів у формі інтегральних рівнянь синтезу.

Зниження рівня неактивних складових потужності в енергетичних ланках ЕЕС до значень, що забезпечують ефективне функціювання мереж і об'єктів, здійснюється від нижніх (технологічних) до більш високих рівнів із наданням пріоритету нижнім. Останнє, за рахунок використання принципу декомпозиції складових потужності та впровадження ГПП з високими регулюючими та компенсуючими властивостями, забезпечує залишковий мінімум неактивних складових, спрощує і здешевлює їх подальшу компенсацію зовнішніми пристроями, що дозволяє створити системи живлення з оптимальними масогабаритними характеристиками й мінімальними втратами електроенергії.

Підвищення ефективності та надійності складних систем живлення енергоємких установок і технологічних комплексів визначається складовими, які в умовах імовірнісних і детермінованих характеристик навантажень, взаємозв'язку об'єктів технологічним процесом та загальною мережею живлення встановлюють принципово нові залежності енергообміну та якісні показники управління груповими об'єктами. Цим визначається пріоритетність розробки та впровадження тих схемотехнічних рішень, які реалізують відповідні показники ефективності з мінімальними витратами.

Наукові результати, одержані в дисертації. Метод дослідження й розрахунків ефективності систем групового живлення на основі структурного моделювання багаторівневих ЕЕС і синтезу енергетичних рівнянь із застосуванням положень інтегральної і спектральної теорій нелінійних мереж. Це дозволяє, у порівнянні з відомими методами, виключити складні графоаналітичні операції із розрахункового циклу при визначенні показників ЕЕ вказаних систем і обгрунтуванні нових підходів стосовно оптимізації групових режимів електроспоживання.

Методологічні принципи формування енергетичних режимів у ЕЕС, які базуються на реалізації умов електромагнітного урівноваження групових трансформаторів і компенсуючих властивостях широкого класу ГПП та використанні запропонованого структурно-аналітичного методу прогнозування ефективності. Це склало основу синтезу енергетично оптимальних систем групового живлення, виходячи із режимних чинників керованих об'єктів, і розширює сферу застосування їх для енергоємких технологій.

Теоретичні аспекти електромагнітних і енергетичних процесів нелінійних структур при глибокопульсуючому і уривчастому струмі, які обумовлені впливом неоднорідності топологій за період напруги живлення на основні показники систем. Це сприяло виявленню нових закономірностей у формуванні режимів електроспоживання та підвищенні якісних показників функціювання установок і комплексів, технологічні процеси яких пов'язані з нестабільністю навантажень.

Новий підхід до аналізу та розрахунків показників електроспоживання ЕЕС при живленні групи взаємозв'язаних за технологічним процесом установок і комплексів циклічної дії, який полягає в тому, що розрахункові параметри на окремих інтервалах і за цикл отримані шляхом дискретного гармонічного синтезу. На відміну від відомих підходів, які базуються на складанні модульованих функцій або об'ємних графоаналітичних операціях, розроблений метод дозволяє за рахунок уніфікованих алгоритмів ефективно реалізувати розрахунковий цикл у замкненому вигляді, визначити вихідні передумови для вибору методів та засобів компенсації неактивних складових потужності у вузлах ЕЕС.

Методика розрахунків комутаційних викривлень напруги ЕЕС з ГПП, яка полягає у синтезі розрахункових співвідношень на основі часткових (для напруг) і повних (для струмів) коефіцієнтів Фур'є і дозволяє за рахунок урахування когерентності одноіменних гармонік окремих установок з більшою точністю, у порівнянні з відомими методиками, розрахувати коефіцієнт несинусоїдальності в усіх ланках складних мереж. Виявлені невідомі раніше характеристики взаємовпливу разом із наведеними вище показниками комутаційних викривлень створили умови для обгрунтування нетрадиційних рішень підвищення ефективності та надійності ЕЕС, шляхом побудови структур із неспівпадаючими комутаціями та використанням запропонованих надійних засобів обмеження взаємовпливу на основі часткового або повного розподілу електромагнітних процесів.

Схемотехнічні рішення стосовно підвищення показників електроспоживання типовими установками в системах групового живлення, які грунтуються на впровадженні комбінованих способів управління й комутації ПП суміжних об'єктів, формуванні еквівалентних багатофазових режимів, інтенсифікації технологічного процесу, вилученні імпульсних навантажень із ЕЕС, автоматизованому обліку та контролі енергетичних параметрів. Це створило умови для послаблення впливу показників енергоспоживання на собівартість продукції і, як наслідок, забезпечило реалізацію енергозберігаючої технології прокатного виробництва.

Методи дослідження. У процесі проведення досліджень використовувались:

- аналіз та наукове узагальнення літературних джерел з енергетичної теорії нелінійних мереж, методам розрахунків та підвищення ефективності систем живлення енергоємких установок і комплексів; методи спектральної теорії сигналів та дискретного гармонічного синтезу; інтегральний і спектральний методи аналізу складних перетворювальних пристроїв;

- методи теорії імовірностей та варіаційного обчислення, математичного аналізу, інформатики та обчислювальної техніки.

У процесі досліджень широко використовувалось спеціальне обладнання перетворювальної техніки, силової та інформаційно-керуючої частин автоматизованого електроприводу промислових установок і комплексів.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується використанням перевірених методів математичних доказів та фізичного моделювання, проведенням експериментальних досліджень в умовах виробництва та достатньою збіжністю одержаних теоретичних та практичних результатів, позитивними результатами промислового використання розробок.

Наукова новизна полягає в розвитку теорії та побудові засобів управління електроспоживанням складних систем групового живлення взаємозв'язаних технологічним процесом установок і комплексів на основі рішення задач прогнозування й оптимізації складових потужності нелінійних мереж. Використання рівнянь балансу енергії на основі теореми Телледжена з елементами теорії дискретного гармонічного синтезу та аналітичних наближень і апроксимацій забезпечило реалізацію нової концепції формування й контролю режимів електроспоживання на технологічних рівнях ЕЕС. Запропонована система узагальнюючих показників ефективності за умов декомпозиції і нестабільності складових потужності і пріоритетні напрямки їх підвищення за рахунок синтезу і впровадження енергетично оптимальних групових структур у технологічні рівні ЕЕС.

Практична цінність. Розроблені методи та засоби знайшли використання при вирішенні задач по підвищенню ефективності й надійності систем групового живлення енергоємких установок і комплексів з різноманітними варіантами розгалужених ЕЕС та їх технічного оснащення. Універсальність запропонованих структур і алгоритмів управління забезпечує їх високу пристосованість до умов функціювання переважної більшості об'єктів завдяки використанню в цьому випадку стандартного обладнання й обмежених об'ємів вихідної інформації. Розроблені підходи грунтуються на впровадженні запропонованих багатоваріантних технічних рішень, які, включно із нетрадиційними, визначають комплексний принцип підвищення ефективності при формуванні групових режимів електроспоживання.

Реалізація та впровадження результатів досліджень. Результати дослiджень та розробок, виконаних в дисертацiї, були використанi при вирiшеннi народногосподарських задач. Підтверджена експериментально ефективність розроблених та впроваджених у виробництво технічних рішень, які реалізують ідеї і розробки автора по підвищенню показників електроспоживання й електромагнітної сумісності групових комплексів і технологічних ліній: прокатного виробництва (КДГМК, НПТЗ - Україна), гірничої промисловості (ЦГЗК, ПГЗК, ПівГЗК - Україна, Каджаранський ГЗК - Вірменія, Удачнінський ГЗК - Росія), Міненерго України (ДДТЦ, м. Дніпродзержинськ), Мінлегпрому України (КБПФ, м. Кривий Ріг). Загальний економічний ефект по роботам, що впроваджені, у цінах до 1991 р. перевищив 850 тис. карбованців. Доля результатів дисертації у цих розробках становить 28-40 %.

Апробація роботи. Робота в цілому доповідалася та обговорювалася на науковому семінарі "Електротехнічні комплекси і системи" Національної гірничої академії України, де була схвалена та рекомендована до захисту. Окремі розділи дисертації доповідалися на двох міжнародних, 5 всесоюзних, 7 республіканських конференціях та семінарах, на координаційній нараді по міжвузівській програмі "Автоелектропривод", на семінарах наукової ради з комплексних проблем електроенергетики АН України, а також на семінарах в окремих організаціях, які займаються розробкою, проектуванням та експлуатацією енергоємких технологічних установок і комплексів з перетворювальними пристроями в системах групового живлення.

Публікації. Результати виконаних досліджень і розробок за темою дисертації викладені у 90 опублікованих працях (37 статей у наукових фахових виданнях, 6 статей у збірниках конференцій, 30 депонованих у наукових журналах статей, 8 авторських свідоцтв на винаходи, 9 статей у інших виданнях), з яких 5 статей і 1 авторське свідоцтво без співавторів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків, списку літературних джерел з 257 найменувань і 15 додатків на 54 сторінках. Загальний об'єм дисертацiї складає 463 сторінки, об'єм основного тексту - 277 сторінок, 80 ілюстрацій на 76 сторінках і 15 таблиць на 17 сторінках.



Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність досліджень і розробок, сформульовані наукова проблема, мета та задачі досліджень, відображена наукова новизна та практичні результати, наводяться положення, що виносяться на захист, а також дані по апробації та публікації досліджень.

У першому розділі на основі аналізу публікацій за темою дисертації обгрунтовані загальні підходи створення ефективних систем групового живлення енергоємких установок і технологічних комплексів, виходячи з умов узагальнення критеріїв оцінки і розрахунків показників електроспоживання, синтезу структур й алгоритмів управління з високими компенсуючими (неактивні складові потужності) властивостями, формування групових режимів електроспоживання з обмеженим рівнем електромагнітного взаємовпливу та імпульсних навантажень у ланках ЕЕС.

Основні позиції запропонованих підходів полягають у наступному:

- складні ЕЕС з ГПП умовно замінюються багаторівневими енергетичними моделями з урахуванням характеристик і параметрів основних елементів;

- формуються розрахункові вирази й алгоритми, які передбачають виконання обчислювальних операцій у напрямку від нижніх енергетичних рівнів до верхніх;

- визначаються основні показники електроспоживання й напрямки їх підвищення шляхом впровадження в енергетичні ланки ЕЕС високоефективних систем групового живлення та управління.

Особливий акцент у роботі зроблено на формуванні узагальнених показників ефективності, які випливають із взаємозв'язку критеріїв систем на основі якісних (ПЯЕ) і неякісних (ПНЕ) показників електроенергії та втрат.

Одержані вирази для коефіцієнтів потужності і корисної дії мають вигляд:

(1)

де загальний показник системи ПНЕ, який дорівнює сумі часткових показників неактивних складових відносно активної потужності; загальний показник системи ПНЕ, який дорівнює сумі часткових показників неактивних складових відносно повної потужності; відносні мінімальні втрати.

Згідно (1) виявлено взаємозв'язок коефіцієнтів і, одержані умови оптимізації електроспоживання:

(2)

На основі принципу декомпозиції такий підхід характеризує електроспоживання з позиції впливу кожної із складових потужності на узагальнені показники ефективності й створює передумови до вибору методів і засобів компенсації їх у вузлах складних ЕЕС.

Обгрунтовано тезу про те, що аналіз, розрахунок і прогнозування ефективності складних ЕЕС з ГПП не можуть бути реалізовані в замкненому вигляді при відсутності інформації про струми в їх енергетичних каналах, а одержати її відомими методами складно. Розроблений же метод вилучає громіздкі й трудомісткі операції побудови та інтегрування кривих струмів складної форми й базується на використанні коефіцієнтів Фур'є групових структур, складаючих основу розрахункових виразів для визначення діючого значення сумарного струму:

, (3)

де , косинусні та синусні часткові коефіцієнти Фур'є q-х груп і і-х пристроїв.

Формування сум , здійснюється при будь-якому поєднанні груп і перетворювальних пристроїв , а похибка розрахунків досягається вибором кількості Р перших (більш низьких) гармонік струму і при обмеженому Р для найбільш поширених схем коливається від 0.23 % до 2.63 %.



Згідно з викладеним, квадрат повної потужності трифазної чотирипроводної ЕЕС з ГПП визначається виразом:

(4)

де , відповідно косинусний і синусний коефіцієнти Фурґє струму S-ї фази, q-х груп і і-х ПП; , аналогічні коефіцієнти струму нульового дроту N; n_o коефіцієнт, який характеризує відношення опору нульового дроту і фази; діюче значення напруги на вході ЕЕС.

Декомпозиція (4) з урахуванням (3) і методу симетричних складових дозволяє визначити складові повної потужності в будь-якій точці ЕЕС.

Розроблені узагальнена класифікація і новий принцип подання ЕЕС з ГПП енергетичними моделями відповідних типів (на основі теореми Телледжена) створили передумови для структурно-аналітичного методу аналізу й розрахунків, який одержав назву модифікованого. У роботі приведені найбільш типові варіанти моделей, створених за розробленим принципом, що склали основу досліджуваних групових структур.

Для успішного рішення розрахункових операцій розробленим методом обгрунтовані методики формування аналітичних наближень і апроксимацій, які визначають точність і область їх практичного використання.

У другому розділі розглянуті принципи формування енергетичних режимів і ефективного функціювання систем групового живлення з природною комутацією, які складають основу сучасних енергоємких технологій, на основі поєднання схемотехнічних рішень та технологічних характеристик установок і комплексів. Виконано аналіз умов компенсації намагнічувальних сил (НС) обмоток трансформатора групової структури, виходячи із узагальненої моделі й запропонованого в першому розділі аналітичного виразу k-х гармонік при формуванні групового режиму електроспоживання. При такому підході основна умова компенсації НС на S-му стержені реалізується на основі попарного урівноваження НС первинної () і вторинної () сторін власне і-ми ПП, або утвореними при формуванні групового режиму еквівалентними і-ми ПП.

(5)

Розроблені принципи аналізу й синтезу групових систем у своїй основі містять однотипні операції структурного моделювання, розбиття структур на енергетичні рівні й поетапного дослідження їх на виконання умов компенсації НС, виходячи із гармонічних спектрів імпульсів, що формують струми в ланках ЕЕС. При цьому повністю виключаються графоаналітичні операції при визначенні первинних струмів, тому що їх розрахункові вирази одержано методом дискретного гармонічного синтезу і, наприклад, для ряду структур мають вигляд:

на основі несиметричних мостових схем при дворазовому вмиканні вентилів

(6)

з неоднорідними вентильними групами

(7)

У виразах (6), (7) і характеризують кути керування і-ї вентильної групи при першому й другому вмиканні вентилів, коефіцієнт відносної мінімальної напруги і-ї групи, коефіцієнт навантаження і-ї групи.

Це дало змогу ефективно із багаточисельних варіантів виявити групові структури, практичне застосування яких при імпульсних навантаженнях призводить до зниження в 4-5 разів рівня реактивної потужності (схеми з ускладненими способами керування) та на 20-35 % розрахункову потужність трансформаторів (схеми з неоднорідними вентильними групами). При цьому за рахунок формування групового режиму електроспоживання скривлення первинного струму більш низьке в порівнянні з поодинокими установками.

Третій розділ присвячений розробці нових підходів до компенсації неактивних складових потужності в розгалужених ЕЕС, які базуються на використанні компенсуючих властивостей структур з комбінованою комутацією при формуванні групових режимів електроспоживання. Установлено, що синтез алгоритмів керування, які забезпечують екстремальні значення критеріїв ефективності, на основі аналізу функціоналу діючого значення первинного струму призводить до невизначеності в рівняннях частинних похідних допоміжних функцій і неоднозначності їх рішення. У зв'язку з цим розроблені принципи формування близьких до енергетично оптимальних алгоритмів керування, виходячи iз умов симетрiї кривих первинного струму i кривих первинної напруги (умова компенсацiї реактивноi потужностi) та багатоступiнчастi (умова компенсацiї потужностi викривлення) i особливостей їх реалiзацiй у розгалужених мережах з ГПП.

Для поточних технологічних установок найбільш доцільною є групова структура, в якій одночасно реалізується ефект почергового керування й штучної комутації, а розрахункові вирази для усіх електромагнітних режимів при використанні модифікованого методу мають досить простий вигляд. У цьому випадку активна і реактивна складові потужності визначаються виразами:

(8)

а первинний струм

(9)

де кут керування загальною анодною групою, що відраховується від точки штучної комутації; кут випередження комутації, що відраховується від точки природної комутації.

У виразі (9) верхні знаки сум відповідають непарним, а нижні - парним гармонікам, а порядок їх визначається гармонічним рядом первинного струму трифазної групи, тобто первинного (нижнього) енергетичного рівня.

Реальні значення після впровадження розроблених на цій основі групових структур для баготодвигунного електропривода постачальників руди і підйомників вугілля складають 0,92-0,96 проти 0,41-0,49 до модернізації, що зумовлено практично повною компенсацією і поліпшеною формою групового режиму. Новизна такого підходу полягає в суміщенні функцій регулювання параметрів і компенсації неактивних складових потужності на більш низьких енергетичних рівнях без додаткових зовнішніх компенсуючих пристроїв. Використання індивідуальних груп з високочастотною модуляцією на IGBT-транзисторах і GТО-тиристорах розширює функціональні можливості й доцільність застосування групових структур із комбінованою комутацією. Відносно мережі живлення такі структури представлені еквівалентними схемами випрямлювачів (інверторів) і мінімізація досягається за допомогою спрощених алгоритмів комбінованої комутації у первинних ланках схем.

У цьому випадку реалізація умови досягнута відповідним вибором кутів керування та індивідуальних установок, а компенсація гармонік нижнього порядку здійснюється за рахунок формування еквівалентного багатофазового режиму в межах суміжних установок.

Одержано нові математичні вирази, які дозволяють ефективно виконати оцінку й розрахунки пульсацій вихідних напруг (струмів) і-х ПП з нетрадиційною формою кривих на базі аналітичного подання відносної площі "напруга-час" і діючого значення змінної складової напруги. Показана доцільність використання методу синтезу коефіцієнтів Фур'є для вихідних напруг і-х ПП по відповідним коефіцієнтам розкладання їх первинних струмів, які визначаються при модифікованому методі.

Четвертий розділ присвячений дослідженню електромагнітних і енергетичних режимів установок і комплексів при глубокопульсуючих і уривчастих струмах у їх силових колах (електропривод із знакозмінним або циклічним моментом навантаження, спеціальні джерела електротехнології).

Основна складність у вивченні й використанні таких режимів обумовлена вибором аналітичних виразів для струмів , які визначаються багатовимірними функціями виду:

(10)

де відповідно тривалість імпульсу струму, фазовий кут силового кола й відносна сумарна проти-ЕРС на розрахунковому інтервалі.

Для схем зі змінною структурою за період напруги живлення, коли формування електромагнітних і енергетичних режимів супроводжується наявністю нульових (розрядних) контурів (розділи 1, 2) і нестабільністю на розрахункових інтервалах, реалізуються якісно нові принципи перерозподілу параметрів і побудови експлуатаційних характеристик. Запроваджено поняття параметру , який характеризує відношення сталих часу силового кола зі змінною структурою і його вплив на показники режимів. Використання розробленої методики при створенні й впровадженні групового тиристорного електропривода постачальників, універсальних зварювальних маніпуляторів дозволило поліпшити їх регулювальні й технологічні характеристики (зниження на 18-26% зони переривистого струму) і масогабаритні показники (зниження на 20-30% розрахункової індуктивності дроселя).

Нестандартна й нестабільна форма струмів -х ПП для зазначених структур і режимів, що істотно впливає на ефективність ЕЕС, ускладнює розрахунок за точними формулами. У зв'язку з цим у роботі розроблена й використана концепція аналітичних наближень і апроксимацій, яка побудована на заміні реальних кривих струмів -х ПП еквівалентними синусоїдами (або їх верхніми ділянками) і трапеціями. Один із способів апроксимації режиму уривчастого струму, коли реальна крива поодинокого імпульсу струму замінена верхньою ділянкою еквівалентної синусоїди з параметрами (амплітудою) і (основою), для трифазної мостової схеми, а синтез коефіцієнтів Фур'є групової структури здійснюється за виразами:

(11)

де .

Розрахунками, викона-ними на основі даних діючих ЕЕС прокатного виробництва, встановлена нестабільність 5-ї і 7-ї гармонік (для 5-ї гармоніки відхил перевищує 250 % у зоні гранично-уривчастого режиму), що вносить істотні корективи у вибір способів їх компенсації.

Розвиток запропонованих методів дозволив на базі єдиної теорії електромагнітних і енергообмінних процесів сформулювати методологічну основу аналізу й розрахунків ЕЕ систем живлення з тиристорними регуляторами змінної напруги (ТРЗН) для найбільш поширених варіантів схем, режимів (видів навантаження), способів керування й комутації. Максимальна похибка наближених розрахунків на основі еквівалентних синусоїд і трапецiй не перевищує 4,5 %, у зв'язку з цим відпадає необхідність у точних, але складних інтегральних виразах.

У п'ятому розділі показано подальший розвиток, практичний напрямок і корисність розробленого методу при синтезі й реалізації алгоритмів і програм розрахунку ефективності групових установок і комплексів циклічної дії. Розглянуто можливі шляхи одержання і використання розрахункових виразів для визначення діючих (амплітудних) значень гармонік і струму групових структур у дискретних інтервалах і за цикл як основних обчислювальних операцій, які базуються на:

- безпосередньому інтегруванні кривих струмів групової структури в кожному дискретному інтервалі циклу;

- аналітичному зображенні випадкових і детермінованих функцій гармонік і струму у вигляді модульованих функцій;

- формуванні виразів для гармонік , і струмів в кожному дискретному інтервалі і за цикл із використанням елементів гармонічного синтезу.

Перші два підходи, як показано у роботі, особливо складні при n>2 і імпульсних навантаженнях, тому запропоновано третій.

У цьому випадку математичні вирази, що складають основу методу, подані у вигляді дискретних функцій, чисельні значення яких визначаються для кожного дискретного інтервалу і за цикл за співвідношенням виду:



- для циклового ККД

(12)

- для циклового коефіцієнту потужності з урахуванням нерівномірності навантаження

(13)

- для діючого значення первинного струму

(14)

У виразі (12) характеризує втрати електроенергії за цикл, а у виразах (12) - (14) інтервал дискретизації (-номер інтервалу), який вибирається в залежності від точності розрахунків у межах 0,02-0,1с.

Розрахунками показників ефективності групової структури екскаватора (найбільш типового комплексу циклічної дії) встановлені значна нестабільність усіх компонентів електроспоживання, низькі циклові показники (=0,49-0,56, =0,27-0,32) навіть при використанні ускладнених способів керування -ми ПП основних механізмів, що обумовлює специфічний підхід у виборі засобів і способів компенсації неактивних складових з урахуванням одержаних уточнених характеристик електроспоживання.

Обгрунтовано ефективний метод розрахунку результуючих (еквівалентних) значень гармонік струму в загальній мережі, яка живить групу взаємозв'язаних за технологічним процесом установок. Практична реалізація такого методу дозволила виявити особливості формування рівнів гармонік струму в окремих точках ЕЕС за цикл роботи неперервного прокатного стана при різних способах чергування одноіменних і різноіменних схем з'єднання трансформаторів.

У цьому випадку для компенсуючих гармонік порядку і некомпенсуючих гармонік порядку одержано і використано загальний розрахунковий вираз:

(15)

де коефіцієнти навантаження -х ПП з одноіменними або ) і різноіменними або схемами з'єднання обмоток трансформатора; кути керування -ми ПП для аналогічних умов.

Найбільший ефект щодо компенсації 5-ї і 7-ї гармонік реально діючого стану ДС-250-3 КДГМК "Криворіжсталь" досягнуто при неперервному чергуванні одноіменних і різноіменних схем замість існуючого до модернізації комбінованого і групового (позиції 1, 2, 3, 4), а залишковий рівень зазначених гармонік викликаний технологічними розбіжностями параметрів.

Запропоновано нетрадиційний попарно-груповий метод компенсації неактивних складових потужності технологічної лінії прокатного виробництва, який базується на суміщенні комбінованої комутації (для компенсації ) та двоступеневому формуванні еквівалентного багатофазного режиму (для компенсації ) у межах суміжних клітів. З урахуванням особливостей технології високі енергетичні показники досягаються при частковій (до 25 %) модернізації перетворювальних груп силової частини. груповий живлення схемотехнічний

Шостий розділ присвячений дослідженню комутаційних процесів і режимів взаємовпливу, обумовлених специфічними умовами функціювання і взаємозв'язку електромагнітних процесів комплексів при живленні від загальної мережі й визначаючих критерії несинусоїдальності, взаємовпливу та електромагнітної сумісності. Запропоновано новий метод розрахунку комутаційних викривлень групових структур на базі часткових (для напруг) і повних (для струмів) коефіцієнтів Фур'є, що дозволяє визначити коефіцієнт несинусоїдальності у будь-якій точці ЕЕС за виразом:

(16)

де амплітуди синусної і косинусної складових k-х гармонік скривленої -м ПП кривої напруги мережі; діюче значення першої гармоніки напруги мережі.



Рекомендований багатьма авторами спрощений підхід до визначення по виразу

(17)

дає значні похибки для складних ЕЕС, бо не враховує когерентності k-х гармонік і-х ПП. Більш точним при розрахунку результуючих k-х гармонік комутаційних викривлень і є метод підсумовування парами k-х гармонік -х ПП у відповідності з виразом:

(18)

Однак через складність проміжних обчислювальних операцій при практичне використання (18) недоцільне.

Синтез алгоритмів i програм передбачає операції по формуванню сум виду які входять у (16), що розширює функціональні можливості розробленого структурно-аналітичного методу і його практичну направленість.

Визначені підходи і принципи стосовно аналізу й розрахунку режимів взаємовпливу групової структури циклічної дії з урахуванням реальних параметрів і експлуатаційних характеристик (навантажувальних і швидкісних діаграм), що обумовлені наявністю великої кількості електромагнітних режимів, різноманітністю вихідних систем диференційних рівнянь і методами їх перетворення. Найбільш негативний ефект зміни кутів комутації виявляється при живленні перетворювачів від загального трансформатора (у межах 470...850% в залежності від довжини лінії живлення) для електропривода меншої потужності, а при живленні від індивідуальних трасформаторів ці показники значно нижчі. Цифрами 1, 2, 3 позначені криві залежностей для трьох електромагнітних режимів взаємовпливу, а цифрою 6 ті ж залежності, але без урахування взаємовливу.

Специфічною особливістю електромагнітних процесів взаємовпливу в групових структурах з комбінованою комутацією є наявність трьох видів комутаційного спадання напруги, поданих у відносних одиницях виразом

, (19)

де власне відносне комутаційне спадання напруги в індивідуальних вентильних групах; відносне спадання напруги некомутуючих вентильних груп; відносне спадання напруги некомутуючих вентильних груп, для яких провідною є фаза, що виходить із роботи відносно комутуючих груп.

Виконані дослідження й розробки визначили комплексний підхід до вирішення проблеми взаємовпливу й електромагнітної сумісності, який передбачає частковий або повний розподіл електромагнітних режимів та виключення із ЕЕС імпульсних навантажень.

У сьомому розділі роглянуті питання практичної реалізації способів підвищення ефективності установок і комплексів на основі розроблених принципів і підходів. Показана специфіка електромагнітних і енергетичних процесів у вентильних структурах із дволанковим перетворенням енергії і особливості формування групових режимів електроспоживання відносно мережі живлення.



Так, для багатодвигунної системи АВК базові розрахункові вирази для активної і реактивної потужності перетворені до виду:

(20)

де номінальна електромагнітна потужність -го двигуна; ступінь регулювання вхідної напруги -го інвертора (або -ї незалежної групи при складній схемі інвертора); коефіцієнт, який враховує міру споживання реактивної потужності -м інвертором; коефіцієнт характеру навантаження (для широкого класу механізмів приймається в межах 0-3); коефіцієнт, який враховує реактивну потужність i-го двигуна.

Використання комбінованої комутації дозволяє підвищити у достатньо широких межах (від 18 % до 250 % у порівнянні з симетричним керуванням) у залежності від способів керування базовими та індивідуальними ПП, але при цьому відбувається перерозподіл розрахункових потужностей силових елементів у сторону їх збільшення (до 75 % для тиристорних груп), або зменшення (до 20 % для загального трансформатора групової структури).

Показані результати й особливості практичної реалізації методів енергозбереження та ефективності енергоємких технологій прокатного виробництва. Впровадження технічних і схемних рішень, що підвищили на 30-40% швидкісний режим і на 25-30 % знизили час технологічного циклу стана ДС-250-6 КДГМК "Криворіжсталь", реалізація пристроїв безударного запуску СД великої потужності (до 16 МВА) у вузлах ЕЕС визначили багатокритеріальний характер ефективності.

Наявність у технологічній ланці установок і комплексів із ударно-циклічними навантаженнями створює специфічні умови формування гармонік струму і для їх розрахунку запропоновані такі співвідношення:

при збільшенні навантаження

(21)

при знятті навантаження

(22)

Прирости кута керування (фази) і струму (модуля) у виразах (21), (22) вибираються із діаграм (осцилограм) у їх дискретних інтервалах (m число пульсацій вихідної напруги, - частота мережі). Для установок прокатного виробництва (клітей, ножиць) діапазон зміни складає 15-30, а - відповідно 0,11-0,16. Виявлена таким способом нестабільність парних і непарних гармонік, а також гармонік, кратних трьом, у вузлах мережі живлення враховується при вирішенні проблем електромагнітної сумісності й надійності.

Практичне використання досліджень здійснено також при створенні та впровадженні групових систем живлення загальнопромислових установок і комплексів: тиристорних збуджувачів СД великої потужності, електротехнологічних установок, постачальників руди, підіймачів вугілля, механізмів та установок прокатного виробництва. В умовах прокатного виробництва реалiзацiя технологiчного контролю електроспоживання досягається без використання спецiальних пристроїв, що значно знижує вартiсть iнформацiйно-вимiрних систем у порiвняннi з відомими рiшеннями.

Як показали експериментальні дослідження, реальна картина формування первинного струму мережі живлення ЕЕС навіть при обмеженому числі установок (n = 3) відрізняється особливою складністю і нестабільністю при симетричних і ускладнених способах керування. Це вказує на доцільність і перспективу використання розробленого структурно-аналітичного методу аналізу та розрахунків показників електроспоживання для створення високоефективних систем групового живлення.

У додатку до дисертаційної роботи подаються матеріали і документи, які підтверджують факт використання в промисловості, науководослідних та проектноконструкторських організаціях, а також у навчальному процесі розроблених методів розрахунку й оптимізації показників електроспоживання, впровадження у виробництво високоефективних систем живлення та управління установками і комплексами із зазначенням отриманих результатів. Наводяться додаткові теоретичні матеріали, подано тексти програмного забезпечення, результати практичних розрахунків та експериментальних досліджень.



Висновки

У дисертаційній роботі здійснено наукове обгрунтування теоретичних положень і технічних рішень, реалізація яких забезпечує створення ефективних систем групового живлення та управління електроспоживанням енергоємких установок і технологічних комплексів, що є вагомим внеском в науково-технічний прогрес. Конкретні результати такі:

Вирішення задач для створення ефективних систем групового живлення енергоємких установок і технологічних комплексів забезпечується використанням концептуального підходу, який базується на ефективних методиках аналізу та розрахунків розгалужених нелінійних мереж і пріоритетності формування оптимальних режимів електроспоживання безпосередньо пристроями управління об'єктами. З урахуванням таких важливих особливостей ЕЕС з ГПП, як складність та енергетична багаторівневість, розподіленість об'єктів та залежність їх показників електроспоживання від технологічних режимів, сформульована концепція нового структурно-аналітичного моделювання, яка грунтується на зображенні топології складної ЕЕС її складовими енергетичними моделями відповідних типів (з урахуванням класифікаційних ознак) та синтезі базових аналітичних співвідношень за умов формування групових режимів електроспоживання.

Доведена необхідність використання для розрахунку діючих значень струмів (гармонік) у розгалужених ЕЕС з ГПП як однієї із найбільш складних і основних операцій при визначенні їх показників електроспоживання, співвідношень, отриманих за допомогою дискретного гармонічного синтезу. На відміну від відомих методів, які передбачають великий обсяг графічних побудов та аналітичних операцій, синтез розрахункових співвідношень запропонованим методом обмежується сумуванням часткових коефіцієнтів Фур'є струмів і-х пристроїв. Вибором функцій струму визначаються структури коефіцієнтів Фур'є, точність розрахунків та особливості формування групового режиму електроспоживання. Вказаний метод у сполученні з інтегральним склав основу нового структурно-аналітичного методу, який ефективно реалізує аналіз та розрахунки складних ЕЕС з урахуванням технологічних характеристик об'єктів.

Визначені аспекти формування енергетичних режимів в ЕЕС з ГПП, які грунтуються на поєднанні якісних характеристик електромагнітних процесів розгалужених нелінійних мереж із компенсуючими властивостями широкого класу ГПП та використанні запропонованого нового методу розрахунку показників електроспоживання. На цій основі обгрунтовано математичні й фізичні передумови компенсації неактивних складових потужності, які базуються на впровадженні в технологічні ланки ЕЕС групових ПП з ускладненими способами управління, неоднорідними структурами, на повністю керованих ключах і спеціальних алгоритмах їх перемикання. Сформульовані умови синтезу енергетично раціональної форми первинного струму ЕЕС на основі групових структур із залежною і незалежною комутаціями, при повністю керованих індивідуальних або базових групах. Установлено пріоритети технічних рішень за рахунок сполучення ускладнених способів управління та комбінованої комутації, які формують груповий режим електроспоживання в ЕЕС з однотиповими технологічними установками та із дволанковими перетворювальними пристроями нового покоління. Реалізація цих аспектів дозволяє обмежити рівні неактивних складових потужності в технологічних ланках ЕЕС без зовнішніх компенсуючих пристроїв та розширити сферу застосування їх для підвищення ефективності енергоємких технологій.

Досягнення високих показників електроспоживання, яке здійснюється за рахунок впровадження ГПП підвищеної складності та багаторежимності електромагнітних процесів, супроводжується нестабільністю пульсацій і гармонік вихідних напруг (струмів), що ускладнює їх математичний опис при визначенні ефективності. Обгрунтовані на основі аналітичного опису відносної площі "напруга-час" і синтезу розрахункових співвідношень для вихідних напруг по відповідним коефіцієнтам розкладу первинних струмів поодиноких установок методики забезпечують реалізацію принципу повноти аналізу. У цьому випадку базові алгоритми і програми доповнюються відповідною частиною підпрограм, у яких математичні співвідношення задаються у вигляді рівнянь зв'язку, а отримані результати забезпечують вилучення неефективних схем живлення індивідуальних навантажень при формуванні групових режимів електроспоживання.

Здійснено розвиток теорії електромагнітних і енергетичних процесів систем при глибокопульсуючих і уривчастих струмах (електропривод зі знакозмінним або циклічним моментом навантаження, спеціальні джерела електротехнології), які полягають у дослідженні специфічних умов формування кривих струмів у складних нелінійних колах та їх математичного вираження. На цій основі визначені якісно нові принципи перерозподілу параметрів, побудови структур та характеристик типових установок (підіймачів, універсальних зварювальних маніпуляторів), значно покращені їх масогабаритні та експлуатаційні показники, підвищена надійність. Показано, що синтез алгоритмів і програм автоматизованого розрахунку ефективності на основі точних виразів для струмів (напруг) доцільно виконувати з використанням запропонованих апроксимованих функцій, які забезпечують похибку не більше 4,5%, але скорочують об'єми розрахункових операцій на один порядок. Математичні моделі й алгоритми складають основу методик інженерних розрахунків ЕЕС з груповими перетворювачами змінного струму як різновиду розгалуженої нелінійної мережі, які визначені запропонованими положеннями теорії електромагнітних процесів нелінійних структур.