автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Агрегированные преобразовательные комплексы для питания цеховой двигательной нагрузки на частотах, отличных от общепромышленной

На правах рукописи

Митяшин Никита Петрович

АГРЕГИРОВАННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЦЕХОВОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА ЧАСТОТАХ, ОТЛИЧНЫХ ОТ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОЙ

05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы, 05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Саратов - 2003

Специальности:

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете

Научный консультант - доктор технических наук, доцент

Голембиовский Юрий Мичиславович

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович

- доктор технических наук, профессор Зиновьев Геннадий Степанович

- доктор технических наук, профессор Рогинская Любовь Эммануиловна

Ведущая организация - ФГУП «Научно-исследовательский,

проектно-конструкгорский и технологический институт силовой электроники», г. Саранск

Защита состоится 3 октября 2003 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «Я0»П 2003

т

Ученый секретарь диссертационного совета д.А. Казинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из приоритетных направлений государственной политики России является повышение эффективности производства, улучшение качества продукции в условиях усиления режима экономии. Решение этих задач немыслимо без создания и внедрения прогрессивных технологий, увеличения единичной мощности выпускаемого оборудования при уменьшении габаритов, металлоемкости и энергопотребления, а также совершенствования процессов получения, передачи и преобразования электроэнергии, разработки и внедрения новых энергоустановок с высоким КПД и улучшенными энергетическими характеристиками. Именно эти задачи ставятся в постановлении Правительства РФ №1006 «Об энергетической стратегии России».

Реализации указанных мероприятий способствует увеличение доли электроэнергии, которая используется в преобразованном виде. Поэтому в настоящее время более половины вырабатываемой электроэнергии потребляется после преобразования каких-либо ее параметров. В частности, значительная часть технологического оборудования требует для своего функционирования электроэнергию однофазного и трехфазного переменного тока повышенной частоты.

Это, прежде всего, станки и инструменты, использующие высокоскоростные асинхронные двигатели (АД). Широкая гамма таких двигателей, которая охватывает диапазон частот от 300 до 2050 Гц при уровнях напряжений от 220 до 380 В, применяется на предприятиях подшипниковой промышленности в качестве электрошпинделей шлифовальных станков. При этом их суммарная установленная мощность на отдельном предприятии достигает 500-2000 кВА.

Настоящая диссертация посвящена разработке и созданию экономичных и надежных электротехнических комплексов на основе преобразователей частоты для централизованного электроснабжения технологического оборудования на частотах, отличных от общепромышленной.

Фундаментальные вопросы теории и практики электротехнических и преобразовательных комплексов проработаны в трудах отечественных и зарубежных ученых. Пути дальнейшего повышения эффективности электротехнических и преобразовательных комплексов в указанных областях применения, и, прежде всего, обеспечения требуемого качества генерируемой ими электроэнергии следует искать, в частности, в более широком использовании системотехнических методов. Одним из таких методов является метод агрегирования, с успехом применяемый, например, в машиностроении, робототехнике и энергетике.

Агрегатно-модульный принцип состоит в построении оборудования из ограниченного набора функциональных агрегатов. Его основные преимущества в традиционных областях применения: сокращение времени и трудоемкости проектирования, сокращение избыточности оборудования, увеличение его надежности за счет отработанности агрегатов, обеспечение множества различных компоновок из ограниченной номенклатуры модулей, снижение себестоимости оборудования.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

С. Петербург 99 и

ш

)

Применение агрегатно-модульного метода при синтезе электротехнического оборудования имеет свои особенности, связанные с возникновением при агрегировании внутренних обратных связей между объединяемыми модулями, приводящих к системным эффектам как соответствующим целям агрегирования, так противоречащим им. Это прежде всего относится к преобразовательным комплексам, предназначенным для питания технологической нагрузки на повышенной частоте, которые содержат большое число элементов с нелинейными характеристиками. Это обстоятельство ограничивает применение при синтезе такого оборудования аналитического подхода, для которого характерно стремление к максимальной формализации всех этапов проектирования и автоматическому получению результата. Применение агрегатно-модульного метода к преобразовательному оборудованию является проявлением системного, неформального и интерактивного подхода к решению проблемы синтеза, для которого характерно участие специалистов на наиболее трудных для формализации этапах проектирования.

Имеется большое число примеров удачного использования метода при синтезе силового электротехнического оборудования. Например, значительное число исследований, в том числе перечисленных выше авторов, посвящено теории и практике параллельной работы нескольких силовых преобразователей, позволяющей увеличить мощность комплексов и, в ряде случаев, улучшить их характеристики. В то же время до сих пор не уделено достаточного внимания общей методологии применения агрегирования в теории и практике электротехнических, электрических и, в том числе, преобразовательных комплексов, предназначенных для питания технологической нагрузки на частотах, отличных от промышленной.

Целью диссертационной работы является разработка научных основ применения агрегатно-модульного принципа к построению электротехнических комплексов для технологических целей на основе источников питания на частотах, отличных от общепромышленной, и создание новых методов, схем и структур, обеспечивающих высокое качество генерируемой электроэнергии.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

1. Уточнение понятия модульной системы и развитие принципов организации модульных систем применительно к электротехническому оборудованию, разработка моделей показателей модульной системы, соответствующих этим принципам.

2. Анализ процедуры агрегирования, ее обобщение и разработка моделей ее применения для синтеза электротехнических комплексов.

3. Разработка методов синтеза компоновок электротехнических комплексов на основе процедуры агрегирования и их применение для построения новых схем и систем электропитания на частотах, отличных от общепромышленной.

4. Развитие методов и алгоритмов моделирования электротехнических комплексов и групповой технологической нагрузки.

5. Разработка методов повышения качеств электрической энергии, генерируемой преобразовательными комплексами, основанных на применении агрегатно-модульного метода построения оборудования.

6. Разработка моделей гибкости модульных электротехнических комплексов и методов управления их структурой.

7. Проведение исследований разработанных моделей схем и структур электротехнических комплексов, полученных методом агрегирования с целью выявления областей их применения.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использовались методы системного анализа, методы теории фреймов, нечеткой математики, методы поиска решений в пространстве состояний, методы многокритериального выбора, методы имитационного моделирования, методы численного анализа, а также методы теории электрических и магнитных цепей.

Научная новизна

Исходя из анализа методов синтеза электротехнического оборудования, а также опыта разработки и эксплуатации преобразовательных комплексов для питания цехов заводов на повышенных частотах, получены следующие научные результаты:

- предложена новая методика построения электротехнических комплексов для питания технологической нагрузки, основанная на развитии понятия модульной системы, сочетании системотехнических принципов агрегирования и декомпозиции и интерактивной методики отбора синтезируемых вариантов;

- разработан принцип построения автономных инверторов с внутренней системой компенсации реактивной мощности, как элементов электротехнических комплексов, с помощью которого синтезированы новые схемы с улучшенными характеристиками и новыми свойствами (симметрирование системы выходных напряжений, улучшение гармонического состава их кривых);

- дополнены и развиты методы моделирования преобразовательных комплексов, в том числе перестраиваемых многомодульных структур, на основании чего разработаны методики расчета многомостовых преобразователей на базе автономных инверторов напряжения и тока, питающих групповую двигательную нагрузку;

- разработаны методы повышения качеств электрической энергии, генерируемой преобразовательными комплексами, основанные на применении агрегатно-модульного метода построения оборудования;

- предложены модели оценок гибкости агрегированных преобразовательных комплексов и чувствительности их характеристик к разбросам параметров элементов схем и управления;

- разработана методика построения систем электропитания на нескольких повышенных частотах и предложены варианты структур таких систем;

- проведены исследования вновь предложенных технических решений, выявлены закономерности их функционирования, выработаны рекомендации по их практическому использованию.

Методологическая новизна диссертационной работы определяется использованием единого формализованного подхода, позволяющего расширить класс решаемых задач, обеспечить комплексность и общность решений, что облегчает их интеграцию с другими задачами анализа и синтеза электротехнического оборудования.

Практическая ценность работы

1. Предложенные модели модульной системы, обобщения и установленные свойства процедуры агрегирования позволили разработать алгоритмы синтеза новых компоновок электротехнических комплексов и их элементов для питания технологической нагрузки на частотах, отличных от общепромышленной.

2. Разработанная методика синтеза дала возможность получить ряд новых технических решений, обладающих полезными свойствами, направленными, в частности, на повышение качества электроэнергии, генерируемой комплексами.

3. Развитые и дополненные в диссертационной работе методы моделирования являются основой для расчета, проектирования и исследования электрических комплексов для централизованного электроснабжения широкого класса технологического оборудования. Разработанные модели и методы нашли применение при создании и внедрении электрических комплексов на ряде машиностроительных предприятий.

4. Результаты проведенных исследований предложенных технических решений дают необходимый материал для обоснованного инженерного выбора схемотехнических решений для конкретных применений.

Работа выполнена на основании тематического плана работ, выполняемых СГТУ по единому республиканскому наряд-заказу, хозяйственных договоров на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные в диссертации:

1.Формализация понятия модульной системы применительно к электротехническому оборудованию, принципы организации модульных систем, модели показателей, соответствующих этим принципам.

2.Уточнение и обобщение процедуры агрегирования электротехнических модулей, модели процедуры агрегирования, ее свойства и методы построения компоновок модульных электротехнических комплексов.

3.Методики и алгоритмы синтеза электротехнических комплексов и их элементов, основанные на применении процедуры агрегирования, методы повышения качества электрической энергии, генерируемой агрегированными преобразовательными комплексами.

4.Концепция гибкости агрегированных электротехнических комплексов и методы управления их структурой.

5.Методы построения математических моделей агрегированных электротехнических комплексов, питающих групповую технологическую нагрузку.

6.Результаты исследования агрегированных электротехнических комплексов и их элементов, способов управления их структурой и качеством генерируемой электроэнергии.

Реализация результатов работы

1.Результаты диссертационной работы использованы при создании электротехнических комплексов для централизованного электроснабжения цехов внутришлифовальных станков на частотах от 300 до 2050 Гц на единичные мощности от 10 до 200 кВА общей Мощностью более 1200 кВА и внедренных в период с 1980 по 2002 гг. на предприятиях подшипниковой промышленности городов: Саратов, Курск, Москва, Ижевск, Волжский.

2. Разработка вопросов теории систем модульной структуры проводилась в рамках фундаментальных исследований Института проблем точной механики и управления РАН и использована в опытно-конструкторских разработках ОАО ВИТИ «Тесар».

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены: на \ТП Всесоюзной НТК по проблемам автоматизированного электропривода, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе (Ташкент, 1979), Всесоюзной НТК «Применение в технологических процессах машиностроительного производства полупроводниковых преобразователей частоты» (Уфа, 1980), V Всесоюзной НТК «Автоматизация новейших электротехнологических процессов в машиностроении на основе применения полупроводниковых преобразователей частоты с целью экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов» (Уфа, 1984), IV Всесоюзной НТК «Проблемы преобразовательной техники» (Киев, 1987), Всесоюзной НТК «Математическое моделирование в энергетике» (Киев, 1990), Международных НТК «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 1997, 2002), V и VI Международных НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2000, 2002), VII Международной конференции «Проблемы современной электротехники» (Киев, 2002), Международной НТК «Силовая электроника и энергосбережение» (Алушта, 2002) и ряде других международных и региональных конференций и семинаров.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, в том числе 3 монографии и 22 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 328 наименований, и приложения. Объем работы составляет 450 страниц текста, 97 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, дано краткое содержание по главам и выделены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется состояние вопроса в области теории и практики электрических комплексов для питания технологической нагрузки на частотах, отличающихся от общепромышленной.

Выделяются перспективные области применения таких комплексов: групповая двигательная нагрузка вчутришлифовальных станков цеха подшипникового предприятия, собственные нужды магистрального транспорта газа, энергообеспечение источников электромагнитных колебаний термообработки продуктов сельскохозяйственного производства, древесины, диэлектрических материалов.

Проблема дефицита энергоресурсов и повышение тарифов делают чрезвычайно актуальной задачу экономии электроэнергии. Снижение потерь электроэнергии и расхода электротехнических материалов возможно на пути повышения частоты напряжения питания оборудования. Одним из важных видов потребителей электроэнергии на повышенных частотах является групповая двигательная нагрузка (ГДН). Примером может служить группа двигателей главного движения внутришлифовальных станков в цехе подшипникового предприятия. Такие двигатели требуют питание на частотах 300, 400, 500, 600, 700, 850, 1000, 1250, 1425, 1750 Гц. До последнего времени электропитание такой нагрузки осуществлялось в основном на базе преобразователей индивидуального назначения. Замена их на комплексы группового применения позволяет значительно повысить технико-экономические показатели и надёжность системы электроснабжения ГДН.

При питании ГДН от источников ограниченной мощности следует учитывать ряд её особенностей: случайный характер загрузки двигателей, зависимость результирующей мощности от статистики пусков и загрузки двигателей, значительный диапазон изменения потребляемой мощности, высокие требования к качеству питающего напряжения и т.д.

Совершенствование электрических комплексов для питания технологической нагрузки на повышенных частотах ведется в направлении параметрической оптимизации, снижения установленной мощности силового оборудования, разработки эффективных алгоритмов управления комплексами, улучшения электромагнитной совместимости комплексов с питающей сетью и нагрузкой. Генерирование электроэнергии на повышенной частоте сопряжено со снижением ее качества. В связи с этим важное значение имеет форма кривой напряжения на выходе комплекса. Её несинусоидальность следует из самого принципа работы статических преобразователей. В то же время полупроводниковые преобразователи обладают важным преимуществом перед другими источниками - более высоким уровнем управляемости. В частности, имеется возможность управлять качеством электроэнергии, генерируемой такими преобразователями.

Особое значение имеет вопрос о выполнении требований по допустимым значениям показателей качества электроэнергии. В теоретическом отношении эта задача решается в двух направлениях. Во-первых, исследуется влияние несинусоидальности питающего напряжения на экономичность и надежность электрооборудования, ведётся поиск показателей, характеризующих качество его кривой. Во-вторых, исследуются факторы, искажающие её форму, и разрабатываются мероприятия по улучшению её гармонического состава. Улучшение формы кривой выходного напряжения преобразовательных комплексов является по указанным выше причинам важной задачей, решение которой приведет к повышению экономичности и надёжности системы электропитания.

Эффективное решение этой и других проблем теории и практики электрических комплексов для питания технологической нагрузки может быть получено применением агрегатно-модульного принципа построения оборудования.

Агрегатно-модульный принцип, основанный на агрегировании типовых модулей, широко используется в приборостроении, машиностроении, робототехнике. Успешное применение он находит и в электроэнергетике.

Основные преимущества данного принципа состоят в следующем: модульный принцип наиболее полно отвечает требованиям конкретной технологической задачи без избыточности оборудования, способствует сокращению времени и трудоемкости проектирования, повышению надежности оборудования за счет отработанности модулей, снижению его себестоимости; ограниченная номенклатура модулей обеспечивает множество различных компоновок; на его основе естественным образом решается задача оперативной перестройки структуры оборудования.

Применение агрегатно-модульного метода в электроэнергетике имеет ряд особенностей, не характерных для других областей его традиционного использования. Это связано со значительным взаимовлиянием электротехнических модулей и возникающими по этой причине системными эффектами. Так, при параллельной работе всех типов преобразователей частоты возникает проблема распределения мощности нагрузки между агрегатами. Большинство работ по проблематике параллельной работы посвящено решению именно этой задачи.

Появление схожих проблем тем более следует ожидать при агрегировании неодноуровневых и неидентичных модулей. При решении их приходится использовать как электротехнические, так и системотехнические методы. Применение агрегатно-модульного принципа к электромеханическим и электронным объектам является проявлением системного, неформального подхода к решению проблемы синтеза оборудования, для которого характерно сочетание формализованных этапов с участием специалистов на наиболее трудных для формализации этапах проектирования. Это противопоставляет агрегатно-модульный метод аналитическому подходу, для которого характерно стремление к максимальной формализации всех этапов проектирования и автоматическому получению результата.

Таким образом, возникает возможность создания новых электрических

комплексов агрегированием модулей, выбираемых из существующей совокупности модулей, либо получаемых в результате декомпозиции немодульного оборудования.

Вторая глава посвящена системным проблемам создания электромеханических комплексов на основе агрегатно-модульного принципа. При применении его к электротехническим и электронным объектам возникают, однако, следующие трудности: условия, при которых возможно агрегирование модулей, не исчерпываются информационными и энергетическими соображениями, а часто связаны с физической реализуемостью и «правильным» совместным функционированием объединяемых цепей; связь между поставленной целью и конкретным агрегированием в большинстве случаев не является четкой и может быть выражена некоторой степенью априорной достоверности, устанавливаемой или опровергаемой только в результате исследования агрегированной системы; независимо от степени достижения поставленной цели агрегирование может привести к не предполагаемым заранее свойствам полученного объекта, как ценным, так и вредным с точки зрения достигаемой цели.

Понятие модульной системы (МС) вводится следующим образом. Обозначим через Б некоторую предметную область производственного характера, а через Р(Б) - множество соответствующих производственных задач. Тогда под модульной системой будем понимать совокупность объектов предметной области Б, некоторые сочетания которых допускают конструктивное объединение (агрегирование) с целью решения задач из Р(Б). Объект системы будем называть модулем, если он допускает агрегирование хотя бы с одним объектом этой системы. Компоновка МС - это объект, который получен агрегированием других объектов системы. Модуль, который не является компоновкой, назовем первичным модулем.

Развитые модульные системы обладают внутренней иерархией. В частности, выделяются уровни модулей. Анализируя различные подходы к указанной проблеме, можно предложить следующую иерархию уровней модульной декомпозиции оборудования силовой электроники: уровень элементов или первичных модулей (тиристоры, диоды, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.); уровень конструктивных узлов (транзисторно-диодные, тиристорно-диодные пары, типовые модули схем управления); уровень функциональных блоков (транзисторные, тиристорные и диодные одно- и многофазные мосты, коммутационные блоки, анодные или катодные вентильные группы); уровень агрегатов (управляемые транзисторные и тиристорные схемы, такие, как инверторы, регулируемые выпрямители); уровень комплексов (преобразователи частоты, содержащие несколько агрегатов, например, по схеме «выпрямитель - инвертор -компенсатор реактивной мощности»): уровень сетей (совокупность нескольких преобразователей, соединенных вместе и решающих общую задачу).

Ключевым понятием теории МС является понятие модуля. Для его раскрытия используем два других центральных понятия: операции и интерфейса. В соответствии со своим назначением модуль выполняет ряд функций. Назовем эти

функции операциями. Рассматриваемый модуль выполняет конечное множество операций. Каждая операция может быть описана, с одной стороны, указанием тех условий, выполнение которых обеспечивает осуществление операции (входной интерфейс), а с другой - той ситуации, которая наступает в результате ее осуществления (выходной интерфейс). Наконец, для реализации МС необходимо существование отношения агрегируемости между модулями. Тогда МС можно задать с помощью ее ядра Г„, представляющегося следующим кортежем:

= {Л0,О0,/0,./0}, где Л0- множество первичных модулей, множество выполняемых ими операций, /0- множество интерфейсов этих операций, Соотношение агрегируемости между модулями из Л0. Модульная система является развивающимся объектом следующей структуры: Е = {Е0,С,О,/}, где С-множество компоновок, ^ - множество выполняемых ими операций, I -множество интерфейсов этих операций, <1 - отношение агрегируемости, являющееся расширением отношения J0 на множество С.

Для описания МС и, в частности, свойств процедуры агрегирования в работе используются аппараты теории фреймов, сетей Петри, теории нечетких множеств.

Фрейм - минимальная структура информации, необходимая для представления класса объектов, явлений или процессов, используемая для представления данных сложной структуры. В частности, фрейм для представления асинхронного двигателя (АД) как модуля некоторой МС имеет вид:

= (АД, (а>,,)),(со2,В(т2)),(«з, В(а>3))).

Здесь АД - имя модуля, а>х,со2,а>3 - операции, соответствующие различным способам пуска и методам управления АД (й>, - операция жесткого пуска без последующего регулирования частоты вращения; 0)г - операция мягкого пуска и регулирования частоты вращения с глубиной до 0.7; Щ - операция мягкого пуска и плавного регулирования частоты вращения от 0 до номинальной частотным методом). Каждый из слотов (<У;, В(й>1)) помимо имени операции содержит список операций В(а>,), блокируемых в случае агрегирования модуля через операцию . Так, В(со3) = , сог}, поскольку использование операции ®з исключает применение операций сох и со2.

В свою очередь, каждая из операций описывается фреймом (ю,, Г,, 12, /'), где - имя операции, - входные, а V - выходной интерфейсы.

Так, для операции а)ъ 11 = («частотный пуск», Р,/о, ^¡ф,

h ~ («частотное регулирование», P, f0, U2(f), L^), где P, fo~ номинальные мощность и частота, Ui(f), V2О*) ~ законы изменения напряжения при изменении частоты в процессе пуска и регулирования частоты вращения ротора , L] ,L,2 — диапазоны изменения частоты питания. Смысл обозначения (й>з »^Лг»-^3)» таким образом, состоит в том, что агрегирование модуля АД с модулем — источником питания, у которого выходные интерфейсы совпадают с Ij, 12, обеспечит условия для выполнения операции <У3.

Агрегируемость возможна благодаря совместимости условий функционирования агрегируемых модулей. Для формализации агрегируемости введено отношение агрегируемости J как подмножество декартового произведения множеств входных Out и выходных In интерфейсов: J С Out х In . Процедура агрегирования модулей формализуется следующим образом. Рассмотрим два модуля я, и Л2 с

выделенными операциями а>] и м2 : = (-^м,' ® i>Т(бйх)) и

~ (^л/г'^г'^С^))- Фреймы этих операций: (ft>,;a,,i72,...i3nl;a) и (a)1;b],b2,...bn2',b). Здесь а - выходной интерфейс операции щ. Пусть Ъ^ - к-й входной интерфейс операции 6)2 и при этом имеет место aJb^, т.е. эти интерфейсы агрегируемы. Тогда компоновка, образованная агрегированием модулей Д, и через а и Ъ^, имеет вид

где операция соз имеет фрейм (ft>3;<з,,<з2,..,6,.,bk_},bk+l,..,bn2;b). Это значит,

что у полученной компоновки выходной интерфейс совпадает с выходным интерфейсом второго из агрегируемых модулей, а входные - с входными интерфейсами обоих модулей, кроме Ь^ который погашен с а в результате агрегирования.

Помимо операции агрегирования вводятся операции объединения нескольких объектов по входу или выходу. Это дает возможность связать с отношением J передачу через агрегируемую пару bJa аддитивного ресурса R. Для этого необходимым условием агрегируемости является неравенство Иь—^а, причем в

результате агрегирования значение ресурса для b уменьшается на величину Ra.

В работе рассматривается обобщение понятия агрегируемости, формализующее ситуацию, когда для некоторых пар интерфейсов невозможно непосредственное агрегирование. Технически, однако, часто можно согласовать условия, входящие в b и а, за счет введения дополнительного устройства. Обозначим через Sba величину некоторого ресурса (например, типовой мощности), который, будучи затраченным на создание такого устройства, обеспечит выполнение условия

агрегирования Ъ и а. Пусть 56 есть величина ресурса для выходного интерфейса Ъ. Тогда степень агрегируемости интерфейсов Ъ и а оценивается величиной

БЬ

которая может быть интерпретирована как степень принадлежности пары (в,а) нечеткому отношению агрегируемости. Если при создании некоторой модульной компоновки было выполнено несколько подобных агрегирований, то интегральный показатель J0 ее агрегированности подсчитывается по формуле

£

~ 5 + М '

где Б - суммарное значение рассматриваемого ресурса для всех выходных интерфейсов компоновки, ДБ - затраты ресурса на агрегирование.

Значение показателя 30 связано со степенями J(bl,aJ) всех выполненных агрегирований соотношением

1 _у Л

Л ,АЬ„ъ) '

где коэффициент Л = >5^/5 характеризует удельный вес операции со, в заданной компоновке с точки зрения выбранного ресурса.

В третьей главе исследуются вопросы синтеза модульных объектов на основе отношения агрегируемости. Задача синтеза ставится как нахождение такой компоновки, которая обеспечивает отображение заданного множества входных интерфейсов У, в заданное множество выходных интерфейсов У,.

Решением этой задачи является всякая компоновка С, в которой выполнены следующие два условия: Н, (С) с У,; У2 сНг(С). Здесь Н,(С),и Н2(С)-множества, состоящие соответственно из всех неагрегированных входных и выходных интерфейсов модулей компоновки С.

В работе сформулированы достаточные условия существования решения задачи синтеза, что дает основание к построению алгоритма синтеза. Ввиду небольшой размерности, которая обычно свойственна практическим модульным системам, в основу такого алгоритма положен метод перебора с отсеиванием вариантов решений в процессе их построения на основании прогноза качества компоновки по заданному множеству аддитивных и экстремальных критериев.

Методика синтеза, используя избыточность модульной системы, генерирует ряд компоновок, соответствующих условиям задачи. Поэтому задача синтеза влечет за собой решение задачи выбора одной компоновки или минимального числа компоновок, соответствующих заданной системе предпочтений заказчика. Предлагается методика многокритериального выбора, основанная на построении нечеткого подмножества X паретовского множества Р, значение функции принадлежности которого на варианте X рассчитывается по формуле

где М, (х) - степень выполнения требований по г-му критерию для варианта х:

1, если Ф, (х) > Ф*

Ф,(*)-Ф; Л / \

—~—-у-, если Ф, > ФДд:)|> Ф,

Ф,+ -Ф;

О, если Ф,(х)<Ф~

Здесь Ф* и Ф; суть соответственно граница притязаний и критическая граница по /-му критерию.

При неравнозначности критериев оценка варианта выбора осуществляется по формуле (интеграл Суджено):

S(x) = шах min(a, g{Ma (х))),

где g(Ma(x)) - мера ценности множества Ма (х) тех критериев, для которых степень выполнения требований на варианте х не ниже а, т.е.

Мера ценности множества критериев g{M) вводится как нечеткая (неаддитивная) мера, что позволяет учитывать взаимное влияние ценностей критериев в определенных их сочетаниях. Для этого известное Я - правило для нечетких мер обобщается на случай кусочно-постоянного Л.

Методика применена для синтеза комплекса системы вентиляции автономного объекта и комплекса для электроснабжения цеха на нескольких повышенных частотах. Граф отношения агрегируемости J для MC многочастотного комплекса представлен на рис.]. Для комплекса многочастотного электроснабжения цеха внутришлифовальных станков помимо традиционных систем индивидуального и группового питания на основе преобразователей типа «выпрямитель - инвертор» предложены компоновки на основе общего звена постоянного тока (рис. 2) и общего звена повышенной частоты на основе АИТ (рис.3).

В четвертой главе рассматривается практическое применение разработанной методики. Указываются ограничения на применение изложенного выше подхода к синтезу модульных объектов, который пригоден для построения функциональных схем компоновок при наличии изученных и формализованных условий агрегируемости модулей. В общем случае требуется найти условия агрегируемости в процессе проектирования модульного объекта.

Подобная проблема возникает в естественных системах с большим количеством модулей и с разнообразными возможностями агрегирования, не все из которых приводят к известным свойствам агрегатов. В этом случае естественно дополнить рассмотренный выше подход некоторой интерактивной процедурой, в которой бы в полной мере были использованы знания и интуиция исследователя.

Операция агрегирования электротехнических объектов сводится либо к непосредственному объединению выделенной группы полюсов одного из объектов

1-входная сеть

2-выпрямление

3-трехфазный АИ

4- трехфазно-однофазный АИ

5- однофазный АИ

6- однофазно-однофазный АИ

7- трехфазно-трехфазный НПЧ

8- трехфазный трансформатор

9- однофазный трансформатор

10- выходная трехфазная сеть

11- выходная однофазная сеть

Рис. 1. Граф отношения агрегирования (синтез многочастотной системы электроснабжения)

с соответствующими полюсами выделенной группы другого, либо к соединению их через коммутационные и/или балластные элементы. При осуществлении операции агрегирования необходимо, чтобы выполнялись некоторые условия, накладываемые на переменные состояния, например, мгновенные значения напряжений между полюсами этих групп. Выделенная для агрегирования группа полюсов объекта вместе с совокупностью требований указанного вида является физическим интерфейсом агрегирования.

Поскольку традиционные интерфейсы часто не отвечают целям агрегирования, возникает необходимость изменения условий их функционирования или получения новых интерфейсов. Анализ практики агрегирования позволяет сформулировать некоторые приемы решения этих задач: перенесение одного из агрегируемых объектов с одной группы полюсов на другую с соответствующим преобразованием интерфейсов; изменение законов управления в неизменной структуре; совмещение функций объектов; обобществление силовых цепей; замена неуправляемого объекта управляемым или наоборот; расщепление элемента на последовательное, параллельное или встречно-параллельное включение нескольких элементов с образованием новых полюсов агрегирования. На рис. 4 приведена схема однофазного АИТ, построенного агрегированием мостовой схемы АИТ и тиристорно-реакторного компенсатора (ТРК) на полюсах нагрузки с последующим переносом ТРК на полюсы постоянного тока моста, удалением одного тиристора ТРК и заменой другого на диод.

Полученные на промежуточных этапах цепи (рис. 5, а, б) рассматриваются в дальнейшем как модули: однополупериодные тиристорно-реакторный компенсатор (ОТРК) и диодно-реакторный компенсатор (ОДРК). Агрегирование этих модулей с базовыми схемами АИТ производится при выполнении необходимых условий, в соответствии с которыми агрегирование, проводимое по выбранным парам полюсов, не должно нарушать трехфазную симметрию на стороне переменного тока и знаковую асимметрию на стороне постоянного тока, а напряжение между полюсами каждой пары полюсов в стационарном режиме работы исходной схемы должно быть знакопеременным. Пример агрегированного инвертора этого класса приведен на рис.6.

Методика агрегирования, основанная на перечисленных правилах, а также методе получения дополнительных интерфейсов за счет расщепления конденсаторов коммутирующей батареи, позволила предложить новые технические решения на уровне агрегатов и комплексов. В частности, построен ряд схем трехфазных АИТ с внутренней системой компенсации реактивной мощности (АИТ с ВСК), обладающих жесткой внешней характеристикой и высоким качеством выходной кривой. Схема одного из таких комплексов приведена на рис.7. На аналогичных принципах построен агрегированный преобразователь на основе инверторов напряжения.

Пятая глава посвящена проблемам моделирования и расчета агрегированных преобразовательных комплексов. При моделировании агрегированных объектов приходится иметь дело со следующими характерными для этого класса

к

к

У- У

Я У

А

A А

б>

Рис. 4

Рис. 5

212\7\ 1Z Я Я

•[2S25ZS_J7 J7

\7 \7 \7

L„ <

ZÎ2ÎZÏ jzjijz ныьньнннчН

lm с, с, с, п■ "

L с/л

I_21 2121 J.I ¿I

^7 \7 \7

с, с,

с,

Рис. 7

проблемами: высокая, размерность, возникновение неожидаемых системных эффектов, необходимость согласования временных масштабов процессов модулей. Так, при моделировании комплекса для электропитания групп АД цеха на нескольких частотах (рис.3), если общее число двигателей групп имеет характерный для подобных систем порядок 10, нижняя оценка размерности пространства состояний близка к 70. Масштаб времени, в котором протекают переходные процессы в цепях инвертора, работающего на частоте 400-600 Гц, и на валу отдельного АД, отличаются на порядок. Снижение размерности модели за счет разделения процессов разных временных масштабов может, вообще говоря, привести к потере режимов, имеющих системный характер.

Исходя из принятой в данной работе декомпозиции оборудования на уровни модулей, в зависимости от цели исследований рассматриваются одноуровневые модели, межуровневые модели с минимальной глубиной детализации, межуровне-вые модели с фрагментарной детализацией объектов нижних уровней.

Вопросы работоспособности, надежности преобразовательных комплексов, качества генерируемой ими электроэнергии, влияния на питающую сеть решаются, прежде всего, на основании анализа их установившихся режимов. В то же время часто нахождение стационарных решений затруднено из-за большого и заранее неопределенного времени установления переходных режимов. В работе предложена методика ускоренного получения стационарных режимов, состоящая в предварительном определении с заданной погрешностью множества моментов естественных коммутаций и последующим нахождением стационарного режима.

В шестой главе исследуются проблемы качества электроэнергии в агрегированных преобразователях. Показано, что агрегирование является одним из эффективных приемов решения ряда задач этой проблемы. В первую очередь агрегирование используется при геометрическом синтезе входных и выходных кривых вентильных источников питания, что позволяет совместить решения задачи улучшения качества кривых с увеличением мощности в единице оборудования.

Такие задачи решаются при агрегировании двух или более преобразователей с помощью расщепленной конденсаторной батареи (КБ) (рис.7). В агрегируемых преобразователях (инверторах, выпрямителях, компенсаторах) основная роль КБ состоит в обеспечении коммутации и компенсации реактивной мощности индуктивного характера. Агрегирование преобразователей с помощью расщепленной КБ осуществляется без увеличения ее мощности, а только за счет структуры.

Для установления возможных структур расщепленной КБ рассматривается обобщенный двухмостовой преобразователь. Структура КБ задается блочной матрицей емкостных связей:

Си С, 2 С, з

Л Л

с = С2 2 С2 з

С3, С3 2 ¿33

где матричные блоки Cljt для трехфазных систем имеющие размерность 3x3. задают структуру связей между выходными зажимами преобразователей и нагрузки.

Исходя из условий межфазной симметрии и независимости условий межмодульной симметрии от нагрузки, получена система уравнений для определения компонент этих матриц:

С„++С13+ Си-С23-*С23- С23 =0;

-Л cos вСС12 -~Са) + sin е (2 С12 -*С12 -"С,J) = 0,

fl -pi _W _-р

*-13 *~23 ^23 23 ^13 *~13 Нз

' ~~ С,з С13 + С23 С23 + С23 С23+ С23 С23 =0; -JicOSeiC-ü С,-, — ГД. ^13"*" ^23^*13 ^23 -1 ^ ^-'п + sinf(2(С23С13+ С23 C¡3+ С23 C|j)-C23 Q3—С23 С|3 С23С,3— С23 С,3- С23 С|3— С23С|3) = 0.

Здесь £ - угловой сдвиг между законами управления вентилями модулей.

В результате анализа этой системы находится нетривиальное решение:

■%/з(с2—С^)

Си =С,; С13=С23=С,; Cl3=C23=0; '

которому соответствует двенадцатиэлементная КБ (рис.7), обеспечивающая равномерную загрузку агрегируемых модулей при любой нагрузке.

Рассматриваемый метод агрегирования в работе применяется для построения двухмостовых АИТ и АИН. В обоих случаях показано, что относительные значения пятой и седьмой гармоник aík\ наиболее сильно искажающих кривую выходного напряжения в одномостовых схемах, в агрегированных преобразователях имеют значения

a(i,(As) = cos(kAe) • 5(i), (к = 5,7),

где — схемный коэффициент, а1к)- относительное значение соответствующей гармоники в одномостовой схеме, As - отклонение углового сдвига от идеального значения 30 эл. град., при котором происходит полное уничтожение этих гармоник.

На рис. 8 показаны типичные кривые напряжений на выходе (а) и на элементах КБ (б) агрегированного АИТ, на рис. 9 - зависимости коэффициента искажения синусоидальности этих кривых от относительного значения полного сопротивления нагрузки Кх (нижняя кривая соответствует отключенному состоянию компенсирующего устройства)

Практическая ситуация, в которой часто возникает задача применения агрегирования, состоит в необходимости обеспечения электроснабжения общей нагрузки большой номинальной мощности средствами имеющейся группы преобразователей, вообще говоря, разных мощностей, сумма которых превышает требуемую. Предлагается метод агрегирования, позволяющий загрузить каждый

180 360 О ISO 360 flu

Рис. 8 Кривые фазных напряжений на нагрузке и на элементах КБ при Кх=2

■кич

—^ ----1

" 0 а а «

Рис. 9. Зависимость коэффициента искажения синусоидальности кривых напряжения на нагрузке и на КБ от коэффициента Кх

-ЕэЧ-

о--ен-

чо-

-ен-

-нэ-

-кэ— ■

К

я I

-{7Г

И,

® X.

л-.,.,

п-

Рис 10 Агрегированный преобразовательный комплекс

преобразователь пропорционально его номинальной мощности. Пусть относительная мощность к-то преобразователя У к — А/^о» где Pq- суммарная мощность группы. Одна из схем, обеспечивающих при любом текущем значении мощности нагрузки решение этой задачи, показана на рис. 10. Здесь преобразователи со звеньями постоянного тока агрегированы по входу и выходу. Регуляторами мощности преобразователей на основе инверторов Ик служат полууправляемые выпрямители с совмещенными вентилями неуправляемых групп. Вентили инверторов управляются синхронно.

В стабилизированном по напряжению преобразователе частоты

dIdk/dUdk = \/Rdk, где Udh - напряжение, — эквивалентное активное сопротивление цепи постоянного тока к-то инвертора. Поэтому увеличение Цд-приводит к увеличению тока, потребляемого к-м инвертором и, следовательно, регулированием этих напряжений можно добиться заданного распределения токов lib, причем чем меньше Rm, тем меньшим изменением Um достигаются требуемые приращения токов Следовательно, мощности, потребляемые инверторами, равные Рц =UdkIdk, практически пропорциональны потребляемым токам. Система автоматического распределения токов агрегированного преобразователя формирует величины дополнительных углов регулирования $ ак, определяемых рассогласованиями АIdk = ykId — Idk; так что уг0л регулирования к-то

выпрямителя оказывается равным ОСк = а0 + 5ак, где а0 — общая для всех преобразователей составляющая величина угла регулирования, определяемая системой стабилизации выходного напряжения.

Благодаря рациональному распределению агрегируемых инверторов между двумя секциями, регуляторы постоянного напряжения которых выполняются с совмещенными анодными и катодными группами неуправляемых вентилей, обеспечивается минимальное значение коэффициента искажения синусоидальности Кц входного тока.

Качество электрической энергии, потребляемой и генерируемой электротехническими комплексами, определяется большим числом параметров. Среди них имеются такие, влияние которых обычно считается незначительным, тогда как их значения часто трудно прогнозируются. По этим причинам при расчете эти значения выбираются без особого обоснования или вовсе исключаются из рассмотрения ввиду их малости. Примерами таких параметров могут служить активные сопротивления в цепях питания инверторов, реакторов, отклонения от номинальных значений основных параметров схемы и управления и др. В агрегированных преобразователях эти параметры могут иметь значительно большее влияние на эффективность оборудования, чем обычно, что связано с

повышенной чувствительностью идентичных параллельных каналов к малым разбросам параметров.

Для адекватного выражения зависимости выходных характеристик преобразователя частоты от неопределенных параметров может быть использован аппарат нечетких чисел (НЧ). Пусть (XI.....Хп)- полный набор НЧ, выражающих параметры

системы и Ц'(Х') - их функции принадлежности. Пусть далее $(х1,хг,...,хп) -оператор, однозначно определяющий значение некоторого выходного показателя комплекса у при данных четких значениях параметров х;. Функция принадлежности ц(у) показателя у в данной работе производится с помощью дискретной интерпретации формулы принципа обобщения Заде:

^У е[У|>Ум)м(у)~ (хтахп) (хп)).

5(х1,..', хп)е[у|,у1+1 ]

Здесь [УпУн-^-г-й интервал дискретизации диапазона изменения параметра у. Наборы (Х1,Х2,...ХП) генерируются с помощью генератора случайных чисел.

Оператор 8(Х1,...ХП) реализуется алгоритмически с помощью цифровой модели комплекса. В соответствии с разработанной методикой все параметры комплекса в общем случае являются НЧ. В частности, при неопределенном задании сопротивлений .йя? в цепях постоянного тока инверторов комплекса рис. 10 и «размытых» значениях составляющих $ ак! формализованных в виде ЬИ-НЧ, рассчитан нечеткий коэффициент искажения синусоидальности входного тока, рассчитанный при а0= 5° (1), 10° (2), 15° (3), 20° (4), 25° (5) (рис.11).

Предложена методика оценки чувствительности выходных показателей преобразователя к неопределенности параметров схемы, управления и нагрузки на основе обобщения классического определения чувствительности на случай, когда х и у являются унимодальными НЧ:

т(хл)/х0 '

Здесь т(ул)ц т(хл). меры Я-уровней НЧ х и у хх = 0=) - и

Ух ~ {п\мх(Л) — Я} для любого Я £ [0,1], которые служат мерой неопределенности задания х я у , а у0 и х0 - моды их функций принадлежностей. На рис. 12 приведены графики чувствительности коэффициента четных гармоник Кц2 к неопределенности задания сопротивления Лс/при ао= 5° (1), 10° (2), 15 (3), 20 (4), 25° (5), 30 0 (6).

Методика позволяет рассмотреть влияние неизбежных разбросов параметров основных элементов на характеристики комплексов. На рис. 13 даны результаты исследований влияния нечеткого задания коммутирующей емкости двухмостового АИТ, агрегированного с помощью трехобмоточного трансформатора. Причина

5 4 А А 2 1

> / - ! \

! У У х /

7 к

/1 У г

026 Кц

Рис. 11. Нечеткий коэффициент несинусоидальности входного тока преобразователя при сю = 5° (1), 10° (2), 15° (3), 20° (4), 25° (5)

Рис. 12. Чувствительность коэффициента несинусоидальности Кц к неопределенности задания сопротивления Яс! при Оо= 5° (1), 10° (2), 15° (3), 20° (4), 25° (5), 30 0 (6)

С,МКФ

Ю 20 30 ЧО 50

И(Ки) 1.00 *

0.75

0.50

0.25

и/иа

эоКи%

Рис. 13. Функции принадлежности нечетких значений угла запирания р(Р), выходного напряжения ц(и) и коэффициента несинусоидальности р(Кц) агрегированного инвертора, соответствующие нечеткому значению коммутирующей емкости р(С)

нечеткости в данном случае в 10%-м разбросе значений емкости. Этому соответствует нечеткое значение емкости с функций принадлежности /л (С) (рис. 13,а, С1=0.9С0>СЯ=1ЛС0). Соответствующие функции принадлежности нечетких значений угла запирания ц(р), выходного напряжения ц(и) и коэффициента искажения синусоидальности ц(Кц) приведены на рис. 13,6, в, г.

В седьмой главе исследуются возможности агрегатно-модульного метода при создании гибких электротехнических комплексов. Важным свойством агрегатно-модульного метода построения оборудования является простота изменения его состава и структуры. Применение этого метода может быть направлено на придание оборудованию многоцелевого назначения или новых полезных свойств за счет структурной гибкости, т. е. изменения его структуры при минимальном привлечении дополнительного оборудования (переагрегирование).

Переагрегирования классифицируются по ряду признаков: цели, уровню, масштабу времени и степени привлечения дополнительного оборудования.

По первому из них переагрегирования могут быть направлены на достижение одной из следующих целей: изменение назначения оборудования; адаптация к изменению условий функционирования; обеспечение программных временных режимов работы; обеспечение аварийных режимов работы оборудования.

Уровень переагрегирования определяется старшим уровнем участвующих в нем модулей, что приводит к переагрегированиям уровней элементов, узлов, функциональных блоков, агрегатов, комплексов и сетей.

Относительно масштаба времени, в котором происходит изменение структуры оборудования, следует различать переагрегирования в масштабе времени основного рабочего процесса, в масштабе времени работы коммутационной аппаратуры, вне времени функционирования оборудования.

По степени привлечения дополнительного оборудования выделяются переагрегирование средствами рабочих элементов без привлечения дополнительного оборудования, переагрегирование с привлечением только коммутационных элементов, переагрегирование с привлечением новых модулей.

В работе предлагаются модели показателей для оценки возможности и целесообразности создания гибких комплексов. Рассмотрим две компоновки модульной структуры С] и Сг- Состав этих компоновок, то есть множества тех модулей, которые входят в эти компоновки, обозначим через С[ и Сг . Поскольку модули одного вида могут входить в компоновку несколько раз, то С,* и С2* следует считать мультимножествами (т.е. совокупностями С элементов х, каждый из которых входит в нее с некоторой кратностью С(х)).

Мультимножество С,*2=С,*ПС2 характеризует степень совпадения двух компоновок и может являться ядром гибкого устройства.

Матричный показатель сходства компоновок С] и С2 строится по формуле 4 =2 1 с; пс;(х)*я,(х)/ х (с; м+с; (X»

«¿у хеЬ)

Здесь Ц - вся совокупность модулей .¡-го уровня, Я, (х) - количество 1-го ресурса (стоимости, массы, габаритов), задействованного модулем х.

Переагрегирования в масштабах времени основного рабочего процесса или работы коммутационной аппаратуры требуют решения задачи оперативного управления структурой компоновок. Пусть Т - некоторый гибкий энергетический или производственный объект, являющийся совокупностью компоновок Г,, т.е.

= {(^'у > ^л ^ )}./ = 1> > где - структура реализации; р] - вектор показателей качества; - вектор задействованных ресурсов.

Матрица управления С/, элемент которой щ-1 при принятии решения о переходе от компоновки Тк к компоновке 7} и щ=0 в противном случае, является функцией состояния г производственного процесса, номера текущей компоновки к гибкого объекта Т, объема^ , ресурсов, необходимых для переагрегирования и цели : и = о(г,к,Т,А,5л). Оператор й принятия решения сравнивает текущее значение вектора показателей качества Рк=Ьк(г) и предполагаемые значения этого вектора Р/ = (г) у * к с целевым значением этого вектора ТГ, соответствующих текущей цели А. Оператор Ьк (к — текущий номер компоновки) реализуется физически непосредственно при функционировании объекта, тогда как операторы при реализуются как модели компоновок .

Проектирование гибкого комплекса Г включает в себя следующие этапы: установление целесообразности и возможности применения гибкого объекта для решения задач выделенной группы режимов \сопс1к}; синтез реализаций анализ процессов в реализациях и их оптимизация, синтез коммутирующего оборудования, анализ процессов коммутации, синтез и оптимизация Г с учетом предыдущих этапов, анализ функционирования гибкого устройства с учетом

реальной динамики изменений режимов \сопс1к}.

Одним из предлагаемых гибких электрических комплексов является преобразователь для питания ГДН. Особенностью этого вида нагрузки является имеющаяся возможность раздельного пуска двигателей, что существенно при ограниченной мощности источника питания. Преобразователь на основе АИТ содержит дополнительную конденсаторную батарею (КБ), подключаемую на время пуска очередного АД к выходу инвертора. По истечении времени, достаточного для снижения тока АД до уровня, не превышающего номинального значения, дополнительные КБ отключаются от выхода инвертора. Отключение КБ после завершения пуска АД позволяет снизить потери мощности в цепях компенсатора реактивной мощности. Остальное времени работы привода КБ используется во входных цепях комплекса, как основная часть фильтрокомпенсирующего устройства. Для этого после окончания пуска очередного АД КБ переключается из выходной сети комплекса во входную.

Другим примером гибкого преобразовательного комплекса служит инвертор с изменяемой структурой для питания двигательной нагрузки, показанный на рис.14. В режиме пуска двигателя нагрузки комплекс принимает состояние, совпадающее с инвертором с отсекающими диодами (ИОД), чем обеспечивается коммутационная устойчивость при значительных токовых перегрузках при ограниченной мощности КБ. При снижении тока до номинального гибкая схема принимает вид АИТ, благодаря чему достигается высокое качество питающего напряжения. Как видно из рис.14, схема гибкого инвертора (ГИ) содержит элементы, общие для обоих состояний, а также коммутационные элементы.

На рис. 15 показаны результаты моделирования процесса перехода от реализации ИОД (существует при п <п¡) к реализации АИТ (существует при п >п-2). Особенности протекания коммутационных процессов в двух основных состояниях ГИ требуют введения промежуточного состояния, в течение которого происходит перезаряд конденсаторов С4 и С5 (существует при п;<п <п2).

В восьмой главе приводятся результаты исследований работы агрегированных преобразовательных комплексов на групповую двигательную нагрузку (ГДН). Под этим термином понимается совокупность нескольких получающих питание от общей сети АД, в которой пуск, загрузка и отключение каждого двигателя происходит независимо от состояния других двигателей группы.

При исследовании электротехнических комплексов необходимо иметь экономичные с расчетной точки зрения модели, описывающие переходные и стационарные режимы ГДН. Непосредственное интегрирование ДУ ГДН приводит к значительным временным затратам. В работе построена приближенная модель ГДН, основанная на методах теории массового обслуживания. Потоками событий здесь являются потоки пусков и загрузки двигателей, каналом обслуживания - сеть, обеспечиваемая преобразовательным комплексом.

Анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании действующих комплексов, позволяет рассматривать ток ГДН как случайную функцию времени. Эта функция определяется следующими факторами: потоком пусков двигателей группы; потоком загрузки двигателей; функцией распределения времени нагрузочного состояния двигателя; переходными проводимостями двигателя при его пуске, нагрузке и разгрузке; комплексными проводимостями двигателя в режиме холостого хода и номинальном режиме.

Для каждого двигателя группы Д вводятся поток «пуск-отключение»/7',1, задаваемый последовательностью ,...}, чередующиеся моменты

времени ^ч^у соответствуют у'-му пуску двигателя Д и у'-му отключению его от

питающей сети. Промежутки времени ^ = ^ ~ ^ , = ^ — ^ являются случайными величинами, распределенными по показательному закону с интенсивностями пусков и отключений двигателя Ц, и . В интервалы времени

>

Рис. 15.Кривые переходного процесса после изменения структуры преобразователя

[¿у>] действует поток «загрузка-разгрузка»^2.Он задается последовательностью

{7,1 ^2 ,■■■}, где чередующиеся моменты времени соответствуют

/-му подключению к валу двигателя Д номинальной механической нагрузки и у-му ее отключению, т.е. переходу двигателя к режиму холостого хода. Промежутки

времени Лу = ~ , = — ^ являются случайными

величинами длительностей загруженного и разгруженного режимов двигателя,

распределенными по показательному закону с интенсивностями Л' и Л' •

ГДН характеризуется переходной комплексной проводимостью ¥.(/) —/ и , где /(0 - медленно изменяющийся по сравнению с комплексной

гармоникой с1"" комплекс действующего значения тока ГДН. Проводимость £(0 является суммой переходных проводимостей двигателей, возбуждаемых переключениями ГДН в соответствии с динамическими характеристиками двигателей и потоками событий:

< 1

где Иу(0 - составляющая проводимости двигателя Д на промежутке

Функция (0 строится как сумма переходных проводимостей отдельного АД,

возбуждаемых в случайные моменты времени Ь] ¿у , причем тип слагаемого соответствует характеру события. Основные типы переходных проводимостей

(пусковая У "(О, перехода от режима холостого хода к номинальному режиму

У, (0 и обратного перехода У, (0) находятся в результате предварительного интегрирования ДУ АД в соответствующем режиме с последующей аппроксимацией линейными сплайнами. Благодаря этому результирующий дифференциальный порядок модели ГДН при любом числе АД в группе равен двум. Подобная модель отражает статистику изменения нагрузки, ее влияние на работу комплекса и системы управления. Модель позволяет использовать совместно с ней точную модель АД для одного или нескольких двигателей группы, что повышает ее адекватность при исследовании динамики.

На рис. 17,18 представлены результаты межуровневого моделирования системы ПЧАИТ-НПЧ (рис. 2), в которой нагрузкой каждого непосредственного преобразователя является ГДН. Основным уровнем моделирования является здесь уровень агрегатов (инверторы, компенсаторы, регулируемые выпрямители). На нижних уровнях проработаны модели вентильных мостов (метод переключающих функций), групповой двигательной нагрузки, резистивных и реактивных элементов.

Modeling of a giuup diive load (system with a general link of high frequency)

Caramel«« Execution Exrt I InvGu»

U lack l|ack Jack

Icln Llcln Converlor!

Parameters

p pei step

[7

Icln Ucln Conve<toi2 I

fv

Icln Ucln Conveitor3

IcIOul UcOul icIOtA UcOut IclOul , UcOut

GML 1 GML | GML J

*jj pen. [500

[Too £

f?

Icln ,Udn Convertof4 |

let Out UcOut GML I

Рис.1б. Интерфейс модели системы ПЧАИТ-НПЧ

10 12 14 16 18

Кривые выходных фазных напряжений инвертора

150 100

-50 .100 -150

V

.....

< J

ч."1 Ч I

Кривые фазных выходных напряжений НПЧ 1

Кривые фазных выходных напряжений НПЧ 2 Рис. 17. Результаты моделирования системы ПЧАИТ-НПЧ.

Основной интерфейс модели показан на рис. 16. Он отражает структуру моделируемой системы и позволяет управлять набором графически контролируемых переменных состояния моделируемой системы, а также изменять структуру моделируемой системы отключением или подключением источников выходных частот (НПЧ и их нагрузок) при максимальном их числе, равном 4.

Исследование моделей преобразовательных комплексов позволило предложить ряд мероприятий, направленных на повышение их нагрузочной способности без привлечения дополнительного силового оборудования. Одним из них является временное разделение пусковых режимов АД ГДН за счет введений в блоки управления устройств, которые запрещают пуск АД, если в это время уже происходит пуск какого-либо другого двигателя. Наиболее экономичный способ ограничения числа одновременных пусков (ООП) реализуется по схеме, в которой контроль состояния системы электропитания и выработка сигнала на разрешение или запрет пуска осуществляется в местах установки двигателей нагрузки. Возможность реализации таких систем определяется зависимостью ряда параметров выходного напряжения питающего комплекса от величины и характера нагрузки. В частности, для большинства схем инверторов тока информативными показателями являются наиболее сильно выраженные гармоники в спектре кривой напряжения. В работе предложены технические решения, основанные на этих информативных свойствах автономных инверторов.

Заключение

Итоги проведенных в диссертационной работе исследований могут быть сформулированы кратко следующим образом.

1. На основании анализа специфических особенностей задач теории и практики электрических комплексов, предназначенных для питания технологической нагрузки на частотах, отличных от общепромышленной, сделан вывод о перспективности агрегатно-модульного принципа построения оборудования. Модульный принцип наиболее полно отвечает требованиям повышения качества электроэнергии, надежности комплексов, способствует естественному решению задач оперативной перестройки их структуры с изменением целей или условий функционирования при отсутствии избыточности оборудования, сокращении времени и трудоемкости его проектирования.

2. Модульная система (МС) данной предметной области рассматривается как развивающаяся иерархическая структура, ядро которой содержит множество первичных модулей с определенным на нем отношением агрегируемости. Сформулированы системообразующие принципы организации МС (вариативность, полнота, избыточность), построены модели показателей, позволяющих оценивать степень выполнения этих принципов в конкретной системе оборудования.

3. Процедура агрегирования формализована как частичная ассоциативная операция, отражающая основные практические свойства техники образования компоновок. Сформулированные свойства операции позволили установить условия

существования компоновок МС с заданными свойствами и разработать алгоритм их построения. Отношение агрегируемости обобщено на случай привлечения дополнительного согласующего оборудования, что позволяет распространить предлагаемую методику на немодульные системы.

4. Формализованный подход к синтезу модульных объектов пригоден для построения функциональных схем компоновок при наличии изученных условий агрегируемости модулей. В общем случае условия агрегируемости требуется уточнять в процессе проектирования модульного объекта. Подобная проблема возникает в естественных системах с разнообразными возможностями агрегирования, не все из которых приводят к известным свойствам агрегатов. В этом случае формализованный подход дополняется интерактивными процедурами, использующими методы узкой области электротехники, к которой принадлежат агрегируемые объекты, и методы математического моделирования. В частности, предложены методы получения новых полюсов агрегирования, а на их основе сформулированы правила агрегирования базовых схем инверторов и пассивных узлов, с помощью которых найдены новые технические решения задач повышения качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности.

5. Методика синтеза, используя избыточность модульной системы, генерирует ряд компоновок. Предлагаемое решение задачи многокритериального выбора одной или минимального числа компоновок позволяет учитывать взаимное влияние критериев в соответствии с системой предпочтений, отвечающих условиям задачи.

Разработанная методика синтеза и выбора позволила предложить ряд компоновок на уровне агрегатов (АИ с внутренней системой компенсации реактивной мощности и с расщепленной конденсаторной батареей), комплексов (групповых преобразователей) и сетей (систем электропитания цеховой ГДН на нескольких частотах).

6. При исследовании агрегированных объектов методом математического моделирования приходится иметь дело с высокой размерностью, системными эффектами, необходимостью согласования временных масштабов процессов модулей. Предложенная в диссертации модель ГДН имеет минимальный дифференциальный порядок, отражая при этом статистику изменения нагрузки, ее влияние на работу комплекса и систему управления. Модель позволяет использовать совместно с ней точную модель АД для одного или нескольких двигателей группы, что повышает ее адекватность при исследовании динамики.

7. Показано, что агрегирование является одним из эффективных приемов решения задач повышения качества электроэнергии, генерируемой преобразовательными комплексами. В частности, преобразовательные комплексы с конденсаторным суммированием токов модулей обеспечивают требуемые ГОСТ 13109-97 значения показателей качества напряжения в режимах инвертирования и компенсации реактивной мощности.

Проведены исследования специфической проблемы теории и практики агрегированных комплексов, заключающейся в их повышенной чувствительности к межмодульной асимметрии, возникающей из-за неизбежной неидентичности

модулей. Предложен метод оценки чувствительности показателей качества входного тока и выходного напряжения агрегированного комплекса к разбросу трудно учитываемых параметров модулей.

8. Важным свойством агрегатно-модульного метода построения оборудования является простота изменения его структуры с целью повышения эффективности путем придания оборудованию многоцелевого назначения или новых полезных свойств. Одним из предлагаемых гибких электрических комплексов является преобразователь на основе АИТ для питания ГДН, содержащий дополнительную конденсаторную батарею (КБ), подключаемую на время пуска очередного АД к выходу инвертора. По истечении времени, достаточного для снижения тока АД, КБ переключается из выходной сети комплекса во входную, где используется как основная часть фильтрокомпенсирующего устройства.

Разработан также гибкий преобразовательный комплекс для питания двигательной нагрузки на основе инвертора с изменяемой структурой. В режиме пуска двигателя нагрузки комплекс принимает состояние, совпадающее с АИН с отсекающими диодами, чем обеспечивается коммутационная устойчивость при значительных токовых перегрузках при ограниченной мощности КБ. При снижении тока до номинального гибкая схема принимает вид АИТ, благодаря чему достигается высокое качество питающего напряжения.

9. Теоретические разработки диссертации позволили предложить ряд структур агрегированных преобразователей. Целью агрегирования было получение новых полезных свойств, среди которых главными являлись: повышение качества кривой питающего напряжения; увеличение мощности преобразовательных комплексов в единице оборудования; повышение управляемости комплексов путем расширения множества регулируемых показателей качества генерируемой электроэнергии; расширение набора функций, выполняемых преобразовательными агрегатами.

Разработки нашли практическое применение на ряде машиностроительных предприятий подшипникового профиля.

Основные публикации по теме диссертации

1. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б. Гибкие преобразовательные комплексы. Саратов: СГТУ, 2002. 128 с.

2. Голембиовский Ю.М., Митяшин Н.П. Методы синтеза преобразовательных систем. Саратов: СГТУ, 2001. 136 с.

3. Артюхов И.И., Митяшин Н.П., Серветник В.А. Автономные инверторы тока в системах электропитания/Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1992.152 с.

4. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б., Артюхов И.И. Адаптивные системы электроснабжения на базе агрегированных преобразователей частоты // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2002. №5-6. С. 93-103.

5. Преобразовательные комплексы повышенной частоты с расщепленной конденсаторной батареей / Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, И.И. Артюхов, Ю.М. Голембиовский // Изв. вузов. Электромеханика. 2002, №6. С. 19-25.

6. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б,, Голембиовский Ю.М. Преобразовательные комплексы с изменяющейся структурой // Техшчна електодинамика. Силова електрошка и енергоефективность. Частина 2. Кшв, 2002.С.24 -26.

7. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б., Кузьмиченко Б.М. Модели системообразующих принципов построения электротехнических комплексов с изменяемой структурой//Автоматизация и современные технологии. 2003.№4. С. 7-13.

8. Митяшин Н.П., Артюхов И.И.,Томашевский Ю.Б. Об абсолютной устойчивости двухмостового инвертора тока с расщепленной батареей коммутирующих конденсаторов // Изв. вузов. Энергетика. 1990. №5. С.53-56.

9. Резчиков А.Ф., Митяшин Н.П., Кузьмиченко Б.М. Промышленные роботы на основе линейных шаговых электродвигателей с магнитовоздушным подвесом //Мехатроника, автоматизация, управление . 2003. №1. С. 7-13.

Ю.Голембиовский Ю.М., Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б. Управление качеством электрической энергии в сетях повышенной частоты // Техшчна електодинамика. Проблемы сучастжл електротехники. Частина 5. Кшв, 2002. С. 89-92.

11.Артюхов И.И., Митяшин Н.П., Серветник В.А. Улучшение энергетических и массо-габаритных показателей стабилизированного инвертора тока для питания асинхронного двигателя// Изв. вузов.Электромеханика. 1991 .№ 11 .С.81 -84.

12.Коц Б.Э., Митяшин Н.П. Машинное моделирование стабилизатора тока магнетрона//Изв. вузов. Электромеханика. 1981. №12. С.1375-1379.

13.Артюхов И.И., Серветник В.А., Митяшин Н.П. Повышение надежности электропривода на базе автономного инвертора тока с вентильно-реакторным компенсирующим устройст'вом//Электрооборудование промышленных установок: Межвуз.науч.сб./Нижегород. политехи. ин-т.Н.Новгород,1990.С. 51-56.

14.Кантер И.И., Митяшин Н.П. Применение метода одного интервала для исследования переходных процессов в преобразователях частоты при статической и динамической нагрузке // Материалы семинара по кибернетике. Часть I.Динамика систем управления. Кишинёв: Штиинца, 1975. С. 17-27.

15.Кантер И.И., Митяшин Н.П., Артюхов И.И. Система распределения нагрузки между объединенными по выходу инверторами // Применение автоматизированных полупроводниковых преобразователей частоты в машиностроении: Межвуз. науч. сб. Уфа: УАИ, 1984. № 13. С.21-26.

16.Митяшин Н.П. Автономные инверторы с выходом на двух частотах// Электротехнические комплексы и силовая электроника: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2001. С. 45-62.

17.Митяшин Н.П. Применение Х-нечеткой меры при многокритериальном выборе оборудования // Автоматизация и управление в приборо- и машиностроении: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ , 2003. С.146-149.

18.Митяшин Н.П. Алгоритмы формирования систем уравнений многомостовых преобразователей частоты // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. науч. сб. / Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1980. С. 82-94. _,

.'ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ^ 33 \ БИБЛИОТЕКА }

С.Петербург *!

« ОЭ 300 акт «

19.Митяшин Н.П. Модели нагрузки электротехнических комплексов ограниченной мощности // Автоматизация и управление в приборо- и машиностроении: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ ,2002.С.130-134.

20.Несимметричные режимы многомостовых тиристорных комплексов/ Н.П. Митяшин, A.A. Александров, Д.М. Мохначев и др.// Вопросы преобразовательной техники, частотного электропривода и управления: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ,1998. С.18-25.

21.Электрические комплексы для питания технологической нагрузки на частотах, отличающихся от общепромышленной / Н.П. Митяшин, И.И. Артю-хов, Ю.Б. Томашевский, Ю.М. Голембиовский // Электротехнические комплексы и силовая электроника. Анализ, синтез и управление: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2002. С. 25-42.

22.Митяшин Н.П., Багаева C.B. Анализ структуры батареи коммутирующих конденсаторов в схемах автономных инверторов // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. науч. сб. / Сарат. политехи. ин-т. Саратов, 1989. С. 11-15.

23.Митяшин Н.П., Борзенко А.Н., Резчиков А.Ф. Фреймовые модели блочно-модульного преобразовательного оборудования // Вопросы преобразовательной техники, частотного электропривода и управления: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ,1996. С. 59-72.

24.Митяшин Н.П., Васильев Д.А., Мохначев Д.М. Модульная декомпозиция преобразовательного оборудования // Вопросы преобразовательной техники, частотного электропривода и управления: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1999. С.26-30.

25.Митяшин Н.П., Голембиовский Ю.М., Томашевский Ю.Б. Агрегирование автономных инверторов // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2002: Материалы YT Междунар.конф.Том 1. Новосибирск, 2002. С. 109-113.

26.Митяшин Н.П., Корнев А.Н., Лазарев В.И. Вопросы теории автономных инверторов с диодно-дроссельной компенсацией реактивной мощности // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. науч. сб. / Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1981.С. 97-109.

27.Митяшин Н.П., Мохначев Д.М., Смирнова A.A. Количественная оценка гибкости электромеханического оборудования // Вопросы преобразовательной техники, частотного электропривода и управления: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2000. С. 63-67. ^

28.Митяшин Н.П., Резчиков А.Ф., Смирнова A.A. Синтез компоновок модульной системы // Вопросы преобразовательной техники, частотного электропривода и управления: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1999. С.35-49.

29.Митяшин Н.П., Рябов О.Н., Смирнова A.A. Многоуровневое моделирование электромеханических комплексов // Электротехнические комплексы и силовая электроника. Анализ, синтез и управление: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ,2002 . С. 74-83.

ЗО.Митяшин Н.П., Степанов С.Ф. Вопросы теории многомостовых преобразователей с конденсаторными расщепителями // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. науч. сб./ Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1987. С. 4-11.

31 .Митяшин Н.П. Нечеткое отношение агрегируемости при синтезе модульной системы // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении: Материалы Междунар. конф. Саратов, 2002. С. 149-150.

32.А. с. 1001373 СССР. Групповой преобразователь частоты / И.И. Кантер, И.И. Артюхов, Н.П. Митяшин и др. // Открытия. Изобретения.1983.№8.

33.А. с. 1056403 СССР. Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное / И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, С.Ф. Степанов и др. // Открытия. Изобретения. 1983 .№43.

34.А. с. 1119140 СССР. Групповой преобразователь частоты /И.И. Артюхов, Н.П. Митяшин// Открытия. Изобретения.1984.№38.

35.А.С. 1069101 СССР. Устройство для электроснабжения / И.И. Кантер, Ю.М. Голембиовский, Н.П. Митяшин и др. //Открытия.Изобретения.1984. №3.

36.A.c. 1070673 СССР. Трехфазный инвертор / И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, И.И.Артюхов и др. // Опсрытия. Изобретения. 1984. №4.

37.A.c. 1081768 СССР. Инвертор/ И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, И.И. Артюхов и др.// Открытия. Изобретения. 1984. №11.

38.А.С. 1111241 СССР. Групповой преобразователь напряжения / И.И. Кантер, И.И. Артюхов, Н.П. Митяшин и др. // Открытия. Изобретения. 1984. №32.

39.A.c. 1145430 СССР. Преобразователь частоты / И.И.Артюхов, Н.П. Митяшин //Открытия. Изобретения. 1985. № 10.

40.A.c. 1166251 СССР. Устройство для пуска многодвигательного электропривода / И.И.Артюхов, Ю.Э. Рейс, Н.П. Митяшин и др. // Открытия. Изобретения. 1985. №25.

41.А.С. 1173514 СССР. Устройство для пуска многодвигательного электропривода / И.И. Кантер, С.Ф. Степанов, Н.П. Митяшин и др. // Открытия. Изобретения. 1985. №30.

42.A.c. 1246322 СССР. Способ пуска асинхронного двигателя / И.И. Кантер, И.И.Артюхов, Н.П. Митяшин и др. // Открытая. Изобретения. 1986. №27.

43.А.С. 1394376 СССР. Устройство для управления группой из п объединенных по выходу тиристорных преобразователей / И.И. Кантер, Ю.М. Голембиовский, Н.П. Митяшин и др. // Открытия. Изобретения. 1988. №17.

44.A.C. 1700723 СССР. Инвертор для питания двигателя / Н.П. Митяшин и др. // Открытия. Изобретения. 1991. №47.

45.A.C. 788308 СССР. Автономный инвертор/ И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, И.И.Артюхов и др. // Открытия. Изобретения. 1980. №46.

46.А. с. 866671 СССР. Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное / И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, С.Ф. Степанов и др. // Открытия. Изобретения. 1981. №35

\j66g~t 1366b

AI.А. с. 888306 СССР. Трехфазный инвертор / И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, И.И. Артюхов и др. // Открытия. Изобретения. 1981. №45.

48.А. с. 845246 СССР. Инвертор/ И.И. Кантер, И.И.Артюхов, Н.П. Митяшин и др. // Открытия. Изобретения. 1981. №25.

49.А. с. 896724 СССР. Групповой преобразователь частоты / И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, И.И. Артюхов и др. // Открытия. Изобретения. 1982. №1.

50.А. с. 922977 СССР. Устройство для пуска многодвигательного электроприво-да/И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, А.Н. Корнев и др. // Открытия. Изобретения. 1982. №15.

51.A. с. 936296 СССР. Автономный инвертор / И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, И.И.Артюхов и др. // Открытия. Изобретения. 1982. №22.

52.А. с. 951606 СССР. Трехфазный автономный инвертор/ И.И. Кантер , Н.П. Митяшин, И.И.Артюхов // Открытия. Изобретения. 1982. №30.

53.A.C. 1249688 СССР. Многодвигательный электропривод / И.И. Кантер, Н.П. Митяшин, И.И. Артюхов и др. // Открытия. Изобретения. 1986 . №29.

В работах, выполненных в соавторстве, вклад автора заключался в постановке проблемы, разработке методов их решения и построении математических моделей (1, 4-8, 10, 11, 20, 22-31), в определении способов решения и построении математических моделей (14,15). В работах 2, 3, 9, 12, 13, 21 вклад распределен между авторами равномерно. При выработке новых технических решений в работах 36-63 автору принадлежит систематическое применение методов агрегирования.

МИТЯШИН Никита Петрович

АГРЕГИРОВАННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЦЕХОВОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА ЧАСТОТАХ, ОТЛИЧНЫХ ОТ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОЙ

Автореферат

Ответственный за выпуск Томашевский Ю Б Корректор О А Панина

Лицензия ИД № 06268 от 14.11.01

Подписано в печать 2.4 0? 03

Бум. тип.

Тираж 100 экз.

Усл. аеч.л. 2,0 Заказ ЗВ4

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. 2,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Копипринтер СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

1. Электрические комплексы для питания технологической нагрузки на частотах, отличных от общепромышленной.

1.1. Области применения электрических комплексов для питания технологической нагрузки.

1.2. Проблема повышения качества электроэнергии, генерируемой электрическими комплексами.

1.3. Проблема синтеза электрических комплексов.

1.4. Агрегатно-модульный принцип построения электротехнического оборудования.

Выводы по главе.

2. Системные проблемы создания электромеханических комплексов

2.1. Агрегирование как метод синтеза нового электромеханического оборудования.

2.2. Модульная система и ее основные компоненты.

2.3. Модульная декомпозиция оборудования как метод построения модульных систем.

2.4. Принципы организации модульных систем.

2.5. Математические модели показателей модульной системы.

2.6. Математические модели процедуры агрегирования.

2.6.1. Фреймовые модели объектов МС.

2.6.2. Моделирование процедуры агрегирования.

2.6.3. Агрегирование с учетом ресурсов интерфейсов.

2.6.4. Способы задания структуры компоновки.

2.6.5. Модели процедуры агрегирования на основе сетей Петри.

2.6.6. Обобщения понятия агрегирования.

Выводы по главе.

3. Синтез модульных объектов на основе отношения агрегируемости.

3.1. Формализация и постановка задачи синтеза модульных объектов на основе отношения агрегируемости.

3.2. Существования решения задачи синтеза.

3.3. Построение модульных объектов с заданными свойствами.

3.4. Выбор вариантов синтеза.

3.5. Выбор при неравнозначности критериев.

3.6. Синтез структуры многочастотной системы электроснабжения.

3.7. Варианты схем электроснабжения многочастотного электропривода.

Выводы по главе.

4. Синтез агрегатов и комплексов.

Ш 4.1. Неформальный синтез агрегатов и комплексов.

4.2. Принципы агрегирования.

4.3. Агрегирование многофазных схем. 4.4. Примеры синтеза агрегатов и комплексов.

4.5. Агрегирование инверторов с помощью многообмоточного трансформатора и расщепленной конденсаторной батареи.

Выводы по главе.

5. Моделирование электротехнических комплексов и их элементов.

5.1. Модели электротехнических комплексов.

5.2. Моделирование элементов, узлов и блоков.

5.2.1. Модели вентиля. Модели с постоянной и переменной структурой.

5.2.2. Модели с переменной структурой вентильных узлов и блоков.

5.3. Одноуровневое моделирование вентильных агрегатов.

5.3.1. Модели на основе учета первой гармоники.

5.3.2. Модели, основанные на симметрии структуры объектов.

5.4. Установившиеся режимы структурно симметричных агрегатов.

Выводы по главе.

6. Качество электрической энергии в агрегированных источниках питания.

6.1. Особенности проблемы качества электроэнергии в агрегированных электрических комплексах.

6.2. Преобразование спектра кривой выходного напряжения при ^ агрегировании с помощью расщепленной конденсаторной батареи.

6.3. Агрегирование инверторов напряжения.

6.4. Повышение качества входного тока электрического комплекса при $1 применении агрегатно-модульного принципа.

6.5. Оценка влияния малых неопределенных параметров модулей на характеристики агрегированного объекта.

6.6. Исследование несимметричных режимов агрегированных преобразовательных комплексов.

6.7. Исследования режимов агрегированного АИТ с расщепленной конденсаторной батареей.

Выводы по главе

7. Агрегатно-модульный подход к построению электротехнических комплексов с перестраиваемой структурой.

7.1. Концепция гибкости силовых комплексов.

7.2. Оценка эффективности переагрегирования.

7.3. Электротехнический комплекс для питания много двигательного привода.

7.4. Инвертор с изменяемой структурой для питания двигательной нагрузки.

7.5. Гибкие комплексы для электроснабжения на повышенных частотах.

7.6. Управление структурой гибких преобразовательных комплексов.

7.7. Гибкость за счет многоцелевого использования оборудования.

Выводы по главе.

8. Исследования агрегированных комплексов для питания двигательной нагрузки.

8.1. Групповая двигательная нагрузка как основной вид нагрузки агрегированных преобразовательных комплексов.

8.2. Модели потоков событий групповой двигательной нагрузки.

8.3. Переходная проводимость ГДН как случайная функция времени.

8.4. Математические модели асинхронного двигателя.

8.5. Расчет и аппроксимация переходных проводимостей АД.

8.6. Расчет средних значений проводимостей ГДН.

8.7. Сетевая модель групповой двигательной нагрузки.

8.8. Схемы организации электроснабжения ГДН на базе преобразовательных комплексов.

Выводы по главе.

Актуальность проблемы

Одним из приоритетных направлений государственной политики России является повышение эффективности производства, улучшение качества продукции в условиях усиления режима экономии. Решение этих задач немыслимо без создание и внедрения прогрессивных технологий, увеличение единичной мощности выпускаемого оборудования при уменьшении габаритов, металлоемкости и энергопотребления, а также совершенствования процессов получения, передачи и преобразования электроэнергии, разработки и внедрения новых энергоустановок с высоким КПД и улучшенными энергетическими характеристиками. Именно эти задачи ставятся в Постановлении правительства РФ №1006 " Об энергетической стратегии России".

Реализации указанных мероприятий способствует увеличением доли электроэнергии, которая используется в преобразованном виде. Поэтому в настоящее время более половины вырабатываемой электроэнергии потребляется после преобразования каких-либо ее параметров. В частности, значительная часть технологического оборудования требует для своего функционирования электроэнергию однофазного и трехфазного переменного тока повышенной частоты.

Это, прежде всего, станки и инструменты, использующие высокоскоростные асинхронные двигатели (АД). Широкая гамма таких двигателей, которая охватывает диапазон частот от 300 до 2050 Гц при уровнях напряжений от 220 В до 380 В, применяется на предприятиях подшипниковой промышленности в качестве электрошпинделей шлифовальных станков. При этом их суммарная установленная мощность на отдельном предприятии достигает 500-2000 кВА.

Настоящая диссертация посвящена разработке и созданию экономичных и надежных электротехнических комплексов на основе преобразователей частоты для централизованного электроснабжения технологического оборудования на частотах, отличных от общепромышленной.

Фундаментальные вопросы теории и практики электротехнических и преобразовательных комплексов проработаны в трудах отечественных и зарубежных ученых О.Г. Булатова, А.А.Булгакова, А.С. Васильева, Т.А. Глазенко, Г.В. Грабовецкого, В.Я. Жуйкова, Г.С. Зиновьева, И.Л. Каганова, И.И. Кантера, Ф.И. Ковалева, В.А. Лабунцова, Г.М. Мустафы, А.Д. Поздеева, B.C. Руденко, В.А. Чванова, И.М. Чиженко, А.К. Шидловского, В.П.Шипилло и др.

Пути дальнейшего повышения эффективности электротехнических и преобразовательных комплексов в указанных областях применения, и, прежде всего, обеспечения требуемого качества генерируемой ими электроэнергии следует искать, в частности, в более широком использовании системотехнических методов. Одним из таких методов является метод агрегирования, с успехом применяемый, например, в машиностроении, робототехнике и энергетике.

Агрегатно-модульный принцип состоит в построении оборудования из ограниченного набора функциональных агрегатов. Его основные преимущества в традиционных областях применения: сокращение времени и трудоемкости проектирования, сокращение избыточности оборудования, увеличение его надежность за счет отработанности агрегатов, обеспечение множества различных компоновок из ограниченной номенклатуры модулей, снижение себестоимости оборудования.

Применение агрегатно-модульного метода при синтезе электротехнического оборудования имеет свои особенности, связанные с возникновением при агрегировании внутренних обратных связей между объединяемыми модулями, приводящих к системным эффектам как соответствующим целям агрегирования, так противоречащим им. Это прежде всего относится к преобразовательным комплексам, предназначенным для питания технологической нагрузки на повышенной частоте, которые содержат большое число элементов с нелинейными характеристиками. Это обстоятельство ограничивает применение при синтезе такого оборудования аналитического подхода, для которого характерно стремление к максимальной формализации всех этапов проектирования и автоматическому получению результата. Так, матрично - топологические и тензорные методы направлены в основном на синтез линейной части преобразователей. Они эффективны в той мере, в какой линейная часть комплекса определяет его характеристики.

Применение агрегатно-модульного метода к преобразовательному оборудованию является проявлением системного, неформального и интерактивного подхода к решению проблемы синтеза, для которого характерно участие специалистов на наиболее трудных для формализации этапах проектирования.

Имеется большое число примеров удачного использования метода при синтезе силового электротехнического оборудования. Например, значительное число исследований, в том числе перечисленных выше авторов, посвящено теории и практике параллельной работе нескольких силовых преобразователей, позволяющей увеличить мощность комплексов и, в ряде случаев, улучшить их характеристики.

В то же время до сих пор не уделено достаточного внимания общей методологии применения агрегирования в теории и практике электротехнических, электрических и, том числе, преобразовательных комплексов, предназначенных для питания технологической нагрузки на частотах, отличных от промышленной.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка научных основ применения агрегатно-модульного принципа к построению электротехнических комплексов для технологических целей на основе источников питания на частотах, отличных от общепромышленной, и создание новых методов, схем и структур, обеспечивающих высокое качество генерируемой электроэнергии.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

1. Уточнение понятия модульной системы и развитие принципов организации модульных систем применительно к электротехническому оборудованию, разработка моделей показателей модульной системы соответствующих этим принципам.

2. Анализ процедуры агрегирования, ее обобщение и разработка моделей ее применения для синтеза электротехнических комплексов.

3. Разработка методов синтеза компоновок электротехнических комплексов на основе процедуры агрегирования и их применение для построения новых схем и систем электропитания на частотах, отличных от общепромышленной.

4. Развитие методов и алгоритмов моделирования электротехнических комплексов и групповой технологической нагрузки.

5. Разработка методов повышения качеств электрической энергии, генерируемой преобразовательными комплексами, основанных на применении агрегатно-модульного метода построения оборудования.

6. Разработка моделей гибкости модульных электротехнических комплексов и методов управления их структурой.

7. Проведение исследований разработанных моделей схем и структур электротехнических комплексов, полученных методом агрегирования с целью выявления областей их применения.

Методы исследования

При решении поставленных задач в работе использовались методы системного анализа, методы теории фреймов, нечеткой математики, методы поиска решений в пространстве состояний, методы многокритериального выбора, методы имитационного моделирования (сети Петри, системы массового обслуживания), методы численного анализа, а также методы теории электрических и магнитных цепей.

Научная новизна

Исходя из анализа методов синтеза электротехнического оборудования, а также опыта разработки и эксплуатации преобразовательных комплексов для питания цехов заводов на повышенных частотах, получены следующие научные результаты: предложен новый подход к построению электротехнических комплексов для питания технологической нагрузки, основанный на развитии понятия модульной системы, сочетании системотехнических принципов агрегирования и декомпозиции и интерактивной методики отбора синтезируемых вариантов; разработан принцип построения автономных инверторов с внутренней системой компенсации реактивной мощности, как элементов электротехнических комплексов, с помощью которого синтезированы новые схемы с улучшенными характеристиками и новыми свойствами (симметрирование системы выходных напряжений, улучшение гармонического состава их кривых); дополнены и развиты методы моделирования преобразовательных комплексов, в том числе перестраиваемых многомодульных структур, на основании чего разработаны методики расчета многомостовых преобразователей на базе автономных инверторов напряжения и тока, питающих групповую двигательную нагрузку;

- разработаны методы повышения качеств электрической энергии, генерируемой преобразовательными комплексами, основанные на применении агрегатно-модульного метода построения оборудования; предложены модели оценок гибкости агрегированных преобразовательных комплексов и чувствительности их характеристик к разбросам параметров элементов схем и управления; разработан подход к построению систем электропитания на нескольких повышенных частотах и предложены варианты структур таких систем; проведены многочисленные исследования вновь предложенных технических решений, выявлены закономерности их функционирования, выработаны рекомендации по их практическому использованию.

Методологическая новизна диссертационной работы определяется использованием единого формализованного подхода, позволяющего расширить класс решаемых задач, обеспечить комплексность и общность решений, что облегчает их интеграцию с другими задачами анализа и синтеза электротехнического оборудования. J

Практическая ценность работы

1. Предложенные модели модульной системы, обобщения и установленные свойства процедуры агрегирования позволили разработать алгоритмы синтеза новых компоновок электротехнических комплексов и их элементов для питания технологической нагрузки на частотах, отличных от общепромышленной.

2. Разработанная методика синтеза дала возможность получить ряд новых технических решений, обладающих полезными свойствами, направленными, в частности, на повышение качества электроэнергии, генерируемой комплексами.

3. Развитые и дополненные в диссертационной работе методы моделирования являются основой для расчета, проектирования и исследования электрических комплексов для централизованного электроснабжения широкого класса технологического оборудования. Разработанные модели и методы нашли применение при создании и внедрении электрических комплексов на ряде машиностроительных предприятий.

4. Результаты проведенных исследований предложенных технических решений дают необходимый материал для обоснованного инженерного выбора схемотехнических решений для конкретных применений.

Работа выполнена на основании задания комплексной программы фундаментальных исследований Института проблем точной механики и управления РАН, тематического плана работ, выполняемых СГТУ по единому республиканскому наряд-заказу, хозяйственных договоров на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Основные положения, защищаемые автором

На защиту выносятся следующие результаты, полученные в диссертации:

1. Развитие понятия модульной системы применительно к электротехническому оборудованию, принципов организации модульных систем, модели показателей, соответствующих этим принципам.

2. Уточнение и обобщение процедуры агрегирования электротехнических модулей, модели процедуры агрегирования, ее свойства и методы построения компоновок модульных электротехнических комплексов.

3. Методики и алгоритмы синтеза электротехнических комплексов и их элементов, основанные на применении процедуры агрегирования.

4. Методы повышения качества электрической энергии, генерируемой агрегированными преобразовательными комплексами (симметрирование системы выходных напряжений, улучшение гармонического состава их кривых, повышение коэффициента мощности).

5. Концепция гибкости агрегированных электротехнических комплексов и методы управления их структурой.

6. Методы построения математических моделей агрегированных электротехнических комплексов, питающих групповую технологическую нагрузку.

7. Результаты исследования агрегированных электротехнических комплексов и их элементов, способов управления их структурой и качеством генерируемой электроэнергии.

Реализация результатов работы

1.Результаты диссертационной работы использованы при создании электротехнических комплексов для централизованного электроснабжения цехов внутришлифовальных станков на частотах от 300 до 2050 Гц на единичные мощности от ЮкВА до 200кВА общей мощностью более 1200кВА и внедренных в период с 1980 по 2002гг. на предприятиях подшипниковой промышленности городов: Саратов, Курск, Москва, Ижевск, Волжский.

2. Разработка вопросов теории систем модульной структуры проводились в рамках фундаментальных исследований Института проблем точной механики и управления РАН и использованы в опытно-конструкторских разработках ОАО НИИ «Тесар».

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены: на Всесоюзной конференции по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и схем (г. Ташкент, 1971), Всесоюзном научно-техническом семинаре «Разработка и промышленное применение полупроводниковых преобразователей для индукционного нагрева металлов», (Уфа, 1974), VIII Всесоюзной НТК по проблемам автоматизированного электропривода, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе (Ташкент, 1979), Всесоюзной НТК «Применение в технологических процессах машиностроительного производства полупроводниковых преобразователей частоты» (Уфа, 1980), V Всесоюзной НТК «Автоматизация новейших электротехнологических процессов в машиностроении на основе применения полупроводниковых преобразователей частоты с целью экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов» (Уфа, 1984), 5-ой Всесоюзной НТК по проблемам управления развитием систем (Саратов, 1986), IV Всесоюзной научно-техническая конференция «Проблемы преобразовательной техники» (Киев, 1987), Всесоюзной НТК «Математическое моделирование в энергетике» (Киев, 1990), Международных НТК «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 1997, 2002), Международной НТК «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», (Пенза, 1998), V и VI Международных НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2000, 2002), VII Международной конференции «Проблемы современной электротехники», (Киев, 2002), Международной НТК «Силовая электроника и энергосбережение», (Алушта, 2002).

Основные результаты работы отражены в 63 печатных работах, в том числе в 3 монографиях, 4 учебных пособиях. Получено 43 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 329 наименований, и приложения. Объем работы составляет 450 страниц текста, 97 рисунков и 5 таблиц.

Выводы по главе 8

1. Типичным видом нагрузки агрегированных преобразовательных комплексов является групповая двигательная нагрузка (ГДН). Под этим термином понимается совокупность нескольких получающих питание от общей сети АД, в которой пуск, загрузка и отключение каждого двигателя происходит независимо от состояния других двигателей группы.

2. При исследовании электротехнических комплексов необходимо иметь экономичные с расчетной точки зрения модели, описывающие переходные и стационарные режимы ГДН, так как непосредственное интегрирование ДУ ГДН приводит к значительным временным затратам. В работе построена приближенная модель ГДН, основанная на методах теории массового обслуживания. Потоками событий здесь являются потоки пусков и загрузки двигателей, каналом обслуживания - сеть, обеспечиваемая преобразовательным комплексом.

При моделировании ГДН АД может быть представлена дискретно-непрерывной моделью, дискретная часть которой есть сеть Петри, Непрерывные аспекты АД отражаются задержками актуализации маркеров, величины которых управляются переменными состояния АД. В силу идентичности логических частей модели сетевая модель ГДН построена на основе единственной сети, для чего каждому двигателю сопоставлен определенный цвет маркера.

Представлены результаты межуровневого моделирования комплекса на основе ПЧАИТ-НПЧ, в которой нагрузкой каждого непосредственного преобразователя является ГДН. Основным уровнем моделирования является уровень агрегатов (инверторы, компенсаторы, регулируемые выпрямители). На нижних уровнях проработаны модели вентильных мостов, групповой двигательной нагрузки, резистивных и реактивных элементов. Исследование моделей преобразовательных комплексов позволили предложить ряд мероприятий, направленных на повышения их нагрузочной способности без привлечения дополнительного силового оборудования. Одним из них является временное разделение пусковых режимов АД ГДН за счет ограничения числа одновременно пускаемых двигателей. Предложены варианты децентрализованной системы, в которой контроль состояния комплекса и выработка сигнала на разрешение или запрет пуска осуществляется в местах установки двигателей нагрузки. Возможность реализации таких систем определяется зависимостью ряда параметров выходного напряжения питающего комплекса от величины и характера нагрузки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги проведенных в диссертационной работе исследований могут быть сформулированы кратко следующим образом.

1. На основании анализа специфических особенностей задач теории и практики электрических комплексов, предназначенных для питания технологической нагрузки на частотах, отличных от общепромышленной, сделан вывод о перспективности агрегатно-модульного принципа построения оборудования. Модульный принцип наиболее полно отвечает требованиям повышения качества электроэнергии, надежности комплексов, способствует естественному решению задач оперативной перестройки их структуры с изменением целей или условий функционирования при отсутствии избыточности оборудования, сокращении времени и трудоемкости его проектирования.

2. Модульная система (МС) данной предметной области рассматривается как развивающаяся иерархическая структура, ядро которой содержит множество первичных модулей с определенным на нем отношением агрегируемости. Сформулированы системообразующие принципы организации МС (вариативность, полнота, избыточность), построены модели показателей, позволяющих оценивать степень выполнения этих принципов в конкретной системе оборудования. Иерархия МС образуется уровнями ее компоновок: первичных модулей, узлов, блоков, агрегатов, комплексов и сетей.

3. Процедура агрегирования формализована как частичная ассоциативная операция, отражающая основные практические свойства техники образования компоновок (в том числе объединение модулей по входу и выходу, учет ограниченности передаваемых ресурсов). Сформулированные свойства операции позволили установить условия существования компоновок МС с заданными свойствами и разработать алгоритм их построения. Отношение агрегируемости обобщено на случай привлечения дополнительного согласующего оборудования, что позволяет распространить предлагаемую методику на немодульные системы.

4. Формализованный подход к синтезу модульных объектов пригоден для построения функциональных схем компоновок при наличии изученных условий агрегируемости модулей. В общем случае условия агрегируемости требуется уточнять в процессе проектирования модульного объекта. Подобная проблема возникает в естественных системах с разнообразными возможностями агрегирования, не все из которых приводят к известным свойствам агрегатов. В этом случае формализованный подход дополняется интерактивными процедурами, использующими методы узкой области электротехники, к которой принадлежат агрегируемые объекты, и методы математического моделирования. В частности, предложены методы получения новых полюсов агрегирования, а на их основе сформулированы правила агрегирования базовых схем инверторов и пассивных узлов, с помощью которых найдены новые технические решения задач повышения качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности.

5. Методика синтеза, используя избыточность модульной системы, генерирует ряд компоновок. Предлагаемое решение задачи многокритериального выбора одной или минимального числа компоновок позволяет учитывать взаимное влияние критериев в соответствии с системой предпочтений, отвечающих условиям задачи.

6. При исследовании агрегированных объектов методом математического моделировании приходится иметь дело с высокой размерностью, системными эффектами, необходимостью согласования временных масштабов процессов модулей. Так, расчет преобразовательного комплекса, питающего типичную ГДН, требует интегрирования системы ДУ, имеющей порядок не ниже 70. Для снижения размерности в зависимости от цели исследований рассматриваются одноуровневые модели, межуровневые модели с минимальной или фрагментарной детализацией объектов нижних уровней. Предложенная в диссертации модель ГДН имеет минимальный дифференциальный порядок, отражая при этом статистику изменения нагрузки, ее влияние на работу комплекса и систему управления. Модель позволяет использовать совместно с ней точную модель АД для одного или нескольких двигателей группы, что повышает ее адекватность при исследовании динамики.

7. Показано, что агрегирование является одним из эффективных приемов решения задач повышения качества электроэнергии, генерируемой преобразовательными комплексами. В частности, преобразовательные комплексы с конденсаторным суммированием токов модулей обеспечивают требуемые ГОСТ 13109-97 значения показателей качества напряжения в режимах инвертирования и компенсации реактивной мощности. Метод агрегирование позволяет также автоматически поддерживать требуемое значение коэффициента асимметрии системы напряжений по обратной последовательности при существенно несимметричной нагрузке.

Проведены исследования специфической проблемы теории и практики агрегированных комплексов, заключающейся в их повышенной чувствительности к межмодульной асимметрии, возникающей из-за неизбежной не идентичности модулей. Предложен метод оценки чувствительности показателей качества входного тока и выходного напряжения агрегированного комплекса к разбросу трудно учитываемых параметров модулей (в частности, входных сопротивлений). Разработаны технические решения, позволяющие компенсировать влияние подобных факторов на работу комплексов.

8. Важным свойством агрегатно-модульного метода построения оборудования является простота изменения его структуры с целью повышения эффективности путем придания оборудованию многоцелевого назначения или новых полезных свойств. Переагрегирования классифицируются по ряду признаков: цели, уровню, масштабу времени и степени привлечения дополнительного оборудования. Предлагаются модели показателей для оценки возможности и целесообразности создания гибких комплексов для каждого из этих классов.

Одним из предлагаемых гибких электрических комплексов является преобразователь для питания ГДН, для которой имеется возможность раздельного пуска двигателей, что существенно при ограниченной мощности источника питания. Преобразователь на основе АИТ содержит дополнительную конденсаторной батареи (КБ), подключаемую на время пуска очередного АД к выходу инвертора. По истечению времени, достаточного для снижения тока АД, КБ переключается из выходной сети комплекса во входную, где используется как основная часть фильтро-компенсирующего устройства. Благодаря подключению КБ на время пуска АД обеспечивается коммутационная устойчивость инвертора в условиях потребления пускового тока. Переключение КБ после завершения пуска АД позволяет снизить потери мощности в цепях компенсатора реактивной мощности. Одновременно решается задача повышение качества тока, потребляемого комплексом в течение большей части времени работы комплекса, соответствующей установившемуся режиму многодвигательного привода.

Разработан также гибкий преобразовательный комплекс для питания двигательной нагрузки на основе инвертора с изменяемой структурой. В режиме пуска двигателя нагрузки комплекс принимает состояние, совпадающее с АИН с отсекающими диодами, чем обеспечивается коммутационная устойчивость при значительных токовых перегрузках при ограниченной мощности КБ. При снижении тока до номинального гибкая схема принимает вид АИТ, благодаря чему достигается высокое качество питающего напряжения.

Исследуется также преобразовательный комплекс для электроснабжения цеховой нагрузки на повышенной частоте, построенный на основе параллельно работающих модулей, оперативно переключаемых из режима инвертирования в режим компенсации реактивной мощности и обратно.

9. Исследование преобразовательных комплексов позволили предложить ряд мероприятий, направленных на повышения их нагрузочной способности без привлечения дополнительного силового оборудования. Одним из них является временное разделение пусковых режимов АД ГДН. Разработана де

Централизованная система, в которой контроль состояния системы электропитания и выработка сигнала на разрешение или запрет пуска осуществляется в местах установки двигателей нагрузки на основании информации о величине и характере нагрузки, заключенной в мгновенных значениях параметров выходного напряжения питающего комплекса. В частности, для большинства схем инверторов такая информация содержится в величине наиболее сильно выраженных гармоник в спектре кривой напряжения. Предложены технические решения, основанные на этих информативных свойствах автономных инверторов.

10. Теоретические разработки диссертации позволили предложить ряд структур агрегированных преобразователей. Целью агрегирования было получение новых полезных свойств, среди которых главными являлись: повышение качества кривой питающего напряжения; увеличение мощности преобразовательных комплексов в единице оборудования; повышение управляемости комплексов путем расширение множества регулируемых показателей качества генерируемой электроэнергии, достигаемое, в частности, за счет изменения их структуры; расширение набора функций, выполняемых отдельными преобразовательными агрегатами.

Разработки нашли практическое применение на ряде машиностроительных предприятий подшипникового профиля.

1. Автоматизированное проектирование силовых электронных схем / В.Я. Жуйков, В.Е. Сучик, П.Д.Андриенко, М.А.Еременко. К.:Техшка,1988.168 с.

2. Автономные инверторы / Под ред. Г.В. Чалого. Кишинев: Штиинца, 1974. 336 с.

3. Адамия Г.Г. К вопросу распределения нагрузок между параллельно работающими инверторами // Электроэнергетика и автоматика. Кишинев: Штиинца, 1973. Выпуск 15. С. 16-18.

4. Адамия Г.Г., Билинкис П.Г., Чванов В.А. Распределение нагрузок между параллельно работающими инверторами // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. № 17. 1971. С. 15—18.

5. Адамия Г.Г., Чванов В.А. Принципы построения систем, содержащих параллельно работающие автономные инверторы // Материалы семинара по кибернетике. Часть 1.Динамика систем управления. Кишинев: Штиинца, 1975. С.22-25.

6. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высш. шк., 1989. 263 с.

7. Алтунин Б.Ю., Туманов И.М. Математическое моделирование тиристорных устройств РПН трехфазных трансформаторов // Электротехника. 1996.№6. С. 22-25.

8. Алтунин Б.Ю. Коммутационные процессы в тиристорных переключающих устройствах с токоограничивающим реактором. // Электротехника. 1996. №3. С. 34-36.

9. Алиев Р.А., Абдикеев Н.М., Шахназаров М.М. Производственные системы с искусственным интеллектом. М.: Радио и связь. 1990. 264 с.

10. Ю.Алферов Н.Г., Мамонтов В.И., Розанов Ю.К. Инверторный модуль для систем гарантированного электропитания // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1981. № 7. С.13-15.

11. Антонов И.М., Глебов Б.А. Надежность системы электропитания, состоящей из однотипных преобразовательных ячеек // Труды МЭИ. 1986. №92. С. 123127

12. Артеменко М. Е. Матрично-топологический синтез вентильных преобразователей // Техшчна електродинамша, 1998. Спец. випуск №2. Т.1. С. 13-16.

13. Н.Артеменко М. Е. Топологическая теория построения транзисторных преобразователей напряжения // Proceedings of the 3rd ISTC "Unconventional

14. Electromechanical and Electrical Systems", Alushta, the Crimea, Ukraine, 1997.V.2. P. 521-526.

15. Артеменко M. E. Топологический синтез однотактных транзисторных преобразователей напряжения, работающих в режиме прерывистого магнитного потока // Техшчна електродинамша, 1998. №2. С. 19-24.

16. Артеменко М.Е. Аналитический синтез структур транзисторных преобразователей постоянного напряжения // Электроника и связь, 1997. Вып.З. 4.2. С. 8-11.

17. Артеменко М.Е. Синтез кваз1резонансних перетворювач!в постшно1 напруги // HayKOBi BicTi НТУ Украши. КГП. 1998. №1. С. 5-9.

18. Артеменко М.Е. Синтез однотактных преобразователей постоянного напряжения с непрерывной кривой потребляемого тока // Техшчна електродинамнса, 1999. Тематичний випуск. Системы електроживлення елекгротехшч1х установок i комплекЫв .С. 18-21.

19. Артеменко М.Е. Синтез регуляторов переменного напряжения // Электроника и связь, 1998. Вып. 4. 4.2. С. 221-225.

20. Артеменко М.Е. Синтез транзисторных преобразователей напряжения на основе главной топологической матрицы // Электроника и связь, 1997. Вып. 2. Ч.1.С. 67-71.

21. Артеменко М.Е., Тахер М.А. Синтез транзисторных преобразователей напряжения с заданными свойствами //Техническая электродинамика, 1994.№4. С. 43-47.

22. Артюхов И.И., Митяшин Н.П. Тиристорные источники для группового электропривода и их проектирование с применением ЭВМ. Саратов, 1990. 68 с.

23. Артюхов И.И., Томашевский Ю.Б., Серветник В.А. Тиристорные преобразователи частоты с перестраиваемой структурой // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат. политехи, ин-т, 1985.С.47-53.

24. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения //

25. Успехи физ. наук. 1996. №11.С. 1145-1170

26. Афанасьев А.И. К вопросу о циклостойкости силовых тиристоров устройств

27. РПН трансформаторов // Изв. вузов. Энергетика, 1980,№4. С.27-30.

28. Балабанян H. Синтез электрических цепей. M.: Д.: Госэнергоиздат, 1961. 416 с.

29. Бардин С.М. О законе распределения циклостойкости тиристоров Т2-320// ^ Силовые полупроводниковые приборы и преобразовательные устройства.

30. Саранск: Мордов. ун-т, 1980. С.32-37.

31. Бари Н.К. Тригонометрические ряды, Государственное изд. физ мат.литературы, Москва, 1961. 670 с.

32. Бару А.Ю., Шинднес Ю.Л. Перспективные схемы автономных инверторовтока для мощных преобразователей частоты // Техшчна електродинамша, 2000. Тематичний випуск. Силова електрошка та енергоэффектившсть.Ч. 1. С.35-39.

33. Бару А.Ю., Эпштейн И.И. Состояние и задачи в области автономныхинверторов для асинхронного электропривода // Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения: Сб. Трудов Международной науч.- техн. конф. Харьков, 1993. С. 16-20.

34. Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов / Перевод с англ.- М.:1. Энергия, 1969. 280с.

35. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Шпилевой В.А. Энергетика и электрификация ^ газовых промыслов и месторождений. Тюмень, 2000. 273 с.

36. Бенгина Т.Н., Чванов В.А. Анализ режимов автономного инвертора привнешних несимметричных коротких замыканиях//Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника.1982. Выпуск 3(140).С.1-3.

37. Беркович Е.И., Зуев А.И., Иоффе Ю.С., Мотыль А.П. Параллельная работапреобразователей частоты для индукционного нагрева // Электрическая промышленность. Преобразовательная техника, 1973.Выпуск 11.С. 18-20.

38. Болотовский Ю.И., Виноградова Т.А. Топологический метод синтеза схемавтономных инверторов // Вопросы анализа и синтеза устройств электропитания на ЭВМ. Киев, 1983. С. 56-6441.44.47,48