автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация и управление силовыми выпрямительными устройствами технологического оборудования для повышения их энергоэффективности при переменных нагрузках

На правах рукописи

Хайро Дарья Алексеевна

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ СИЛОВЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00556196В

2ПЕН 2015

Москва 2015

005561968

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»),

Научный руководитель: ¡Власов Владимир Ильич|

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Официальные оппоненты: Веселое Олег Вениаминович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Мехатроника и электронные системы автомобилей» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)

Цыикин Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Проблемы управления» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет информационных технологий, радиотехники и электроники» (МИРЭА)

Ведущее предприятие: федеральное государственное унитарное

предприятие «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» (г. Москва)

Защита состоится «_»_2015 г. в_часов на заседании диссертационного

совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», www.stankin.ru.

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц.

Елена Геннадьевна Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Энергоэффективность промышленного предприятия в целом и отдельных технологических процессов в частности является одним из важнейших показателей качества как отдельного производства, так и отрасли в целом и в значительной степени определяет его конкурентоспособность.

Одной из характерных особенностей современного машиностроительного производства является наличие в нем автоматизированного технологическою оборудования.

Значительная часть этого оборудования уже спроектирована на электропитание от сети постоянного тока. Это, прежде всего, оборудование гальванических цехов, электросварки, электротермической обработки, покраски. И поэтому для работы в сети переменного тока такое оборудование оснащается специальными выпрямительными устройствами.

Другая же часть производственного оборудования, хотя и спроектирована на электропитание от сети переменного тока, но ее электротехштческая система содержит в своем составе также выпрямительные устройства. К этому оборудованию относятся в первую очередь современные металлорежущие станки и комплексы.

Одной из основных особенностей реализуемых на этом оборудовании технологических процессов являются переменные нагрузки на его электротехнические системы в целом и его выпрямительные устройства в частности. Такие режимы эксплуатации выпрямительных устройств технологического оборудования являются причиной изменения их энергоэффективности и стабильности выпрямленного напряжения.

Все это требует вносить коррективы в работу выпрямительных устройств средствами автоматизации с учетом реальной нагрузки на них.

По этой причине задача автоматизации и управления силовыми выпрямительными устройствами для повышения их энергоэффекгивности при переменных нагрузках является актуальной задачей.

Цель настоящей работы заключается в повышении энергетической эффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и в режимах малых нагрузок на основе автоматизированных систем управления.

Согласно поставленной цели в работе решались следующие задачи: 1. Рассмотреть энергетические характеристики выпрямительных устройств технологического оборудования и исследовать их изменения при разных мощностях технологических процессов, реализуемых па этом оборудовании.

2. Разработать модели и алгоритмы функционирования выпрямительных систем технологического оборудования, обеспечивающие улучшение их энергетических характеристик при переменных нагрузках.

3. Обосновать схемные решения реализации разработанных моделей и алгоритмов с точки зрения снижения энергоемкости машиностроительных технологических процессов в частности и снижения энергопотребления предприятия в целом.

4. Экспериментально подтвердить достоверность разработанных моделей, алгоритмов и методик, обеспечивающих повышение энергетических характеристик силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках.

Методы исследования

Исследования основываются на основных положениях теории автоматического управления, технологии машиностроения и математической статистике.

Научная новизна работы заключается в:

1. установлении качественных и количественных взаимосвязей между энергетическими характеристиками силовых выпрямительных устройств технологического оборудования и параметрами технологических процессов, реализуемых на этом оборудовании;

2. моделях и алгоритмах повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок, их функционировании при автоматизированном управлении группой энергоэффективных силовых выпрямительных устройств;

3. методиках повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках на основе методов пассивной подгрузки и рекуперации энергии.

Практическая ценность работы заключается в методиках повышения энергоэффективности силовых импульсных выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и режиме малых нагрузок и в создании на их основе автоматизированной энергосберегающей системы управления группой этих выпрямительных устройств.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. результаты исследования энергетических характеристик выпрямительных систем технологического оборудования при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок;

2. модели и алгоритмы повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок, а также для управления группой энергоэффективных силовых выпрямительных устройств технологического оборудования;

3. методики повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках на основе методов пассивной подгрузки и рекуперации энергии, а также методика построения автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств.

Достоверность и обосповаппость полученных результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Реализация работы

Результаты работы были использованы для повышения энергоэффективности экспериментального управляемого силового импульсного выпрямительного устройства в лабораториях научно образовательного центра «Энергосбережение в промышленности», а также в учебном процессе на кафедре «Высокоэффективные технолога« обработки» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» при изучении дисциплины «Высокоэффективные технологии обработки» и на кафедре «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» при изучении дисциплин: «Энергоэффективность технологических процессов» и «Инженерно-экологическое обеспечение технологических процессов».

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:

1. заседаниях кафедры «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»;

2. Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-11), ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, ноябрь 2011 г.;

3. Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии» (АИ Т-2012), МГТУ «СТАНКИН», сентябрь 2012 г.

4. Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, 2010.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 работ в журналах из перечня периодических рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК.

Диссертационная работа соответствует формуле научной специальности 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки) в областях исследований:

— методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д.;

— теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация;

— методы планирования и оптимизации отладки, сопровождения, модификации и эксплуатации задач функциональных и обеспечивающих подсистем АСУТП, АСУП, АСТПП и др., включающие задачи управления качеством, финансами и персоналом.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 11 таблиц, список литературы включает 72 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы и обосновывается ее актуальность.

Первая глава посвящена анализу структуры энергопотребления и электрораспределения на современном промышленном предприятии, рассмотрены электротехнические особенности оборудования при реализации машиностроительных технологических процессов, методы повышения их энергоэффективности, место силовых

выпрямительных устройств в реализации технологических процессов, сформулирована постановка задачи.

Проанализированы работы ученых: Г.Е.Кувшинова, В.В.Худякова, О.В. Веселова, Ю.К.Розанова, В.В.Судного, I.M. Nejdawi, P. J. Fleming, A.M. Zalrala и др., направлешше на повышение уровня энергоэффективности технологического оборудования и ее влияние на качество технологических процессов.

В структуре энергопотребления при реализации машиностроительных технологических процессов решающую роль играет потребление электрической энергии. Среди основных потребителей энергии на таких предприятиях можно выделить асинхронные электродвигатели переменного тока (порядка 54%), синхронные машины (8%), силовые выпрямительные устройства (10%), различного рода электротехнологические установки (7%) и системы освещения (21%).

Таким образом, асинхронные электродвигатели являются основными электротехническими системами оборудования, используемыми при реализации машиностроительных технологических процессов и осуществляющие преобразование электрической энергии в механическую. В тоже время асинхронные электродвигатели являются и основными источниками потерь электроэнергии, обусловленными недогрузкой технологического оборудования и существенными потерями энергии при ее передаче от электродвигателя в зону обработки.

Для повышения эффективности управления и снижения величины потерь асинхронные электродвигатели автоматизированного технологического оборудования оснащаются частотно-регулируемыми приводами, содержащими в своем составе силовое выпрямительное устройство, служащее для преобразования переменного напряжения в постоянный ток для дальнейшего формирования напряжения требуемой частоты и величины. При этом известно, что существующие силовые выпрямительные устройства при их эксплуатации в режиме переменных нагрузок и в режиме малых нагрузок показывают пониженные значения к.п.д. и нестабильность выходного напряжения.

Вторая глава посвящена исследованию энергетических характеристик силовых выпрямительных устройств технологического оборудования машиностроительных предприятий.

Характерной особенностью машиностроительных технологических процессов является их реализация прн различных нагрузках из-за различных свойств и характеристик материала, характеристик инструмента и других факторов. По этой причине эксплуатация силовых выпрямительных систем технологического оборудован™ реализуется при переменных нагрузках it во многих случаях в режиме малых нагрузок.

7

Проведенный анализ различных схемотехнических решений для силовых выпрямительных устройств показал, что в качестве выпрямительного блока для электротехнических систем технологического оборудования наиболее эффективно использовать силовой импульсный преобразователь, выполненный по симметричной однополупериодной схеме, типовая схема которого приведена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая схема силового импульсного преобразователя, выполненного по симметричной однополупериодной схеме

КПД такого импульсного преобразователя определяется эффективностью преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение, необходимое для питания нагрузки, а значит величиной электрических потерь. В типовом импульсном преобразователе общие потери энергии состоят из потерь проводимости Рпров и коммутационных потерь Ркомм. Потери проводимости, если не учитывать пульсацию токов, зависят от суммарного активного сопротивления. В этом случае эффективность преобразователя определяется выражением:

П = и„1н/ (и„1н+ Ркомм. + Рпров) (1)

где и„ - напряжение нагрузки,

1„ - ток нагрузки.

Общие потери при токе нагрузки 1„ и частоте коммутации £ составят:

Ркомм. " Рпров. ~ ] 1() Г^ + 2 ГЛ Ц + 1н , (2)

где Япр — активное сопротивление элементов преобразователя (проводников, обмоток, каналов транзисторов);

к^и I. кч \\ 2 коэффициенты, зависящие от используемого силового ключа.

Следует отметить что обычно, с увеличением размеров и максимально допустимых параметров транзистора, коэффициенты к5и. также возрастают.

На практике при параллельной работе ключей в чередующемся режиме увеличивается эффективность преобразователя при полной нагрузке, так как уменьшается величина К„ров. В то же время, при малой нагрузке преобладают потери на коммутацию Рком„. Значения КПД преобразователя в каждый момент времени при различных нагрузках могут быть определены на основе зависимости КПД от реальной нагрузки.

При эксплуатации устройства в режиме низких нагрузок КПД преобразования в значительной степени снижается.

Как показали исследования, импульсный преобразователь имеет высокие энергетические характеристики в диапазоне нагрузок от 50% до 90% от номинальной. При увеличении нагрузки до 100% энергетические характеристики незначительно снижаются, а при падении нагрузки до 20% резко падает КПД выпрямительного устройства. Работа устройства при нагрузках менее 20% сопровождается дальнейшим падением КПД, резким ростом пульсаций выходного напряжения и ухудшением стабильности работы. Кроме того, при работе в режиме низких нагрузок возрастает тепловыделение и перенапряжение на силовых элементах выпрямительного устройства, что приводит к резкому сокращению срока службы этих силовых элементов и следовательно выпрямительного устройства в целом. Эти явления связаны с так называемым переходом устройства в режим «разрывных» токов. Постоянное напряжение, снимаемое с выхода, получается из импульсного посредством фильтрации при помощи ЬС-фильтра. При малых токах потребления ток через индуктивность I. (дроссель) становится «разрывным». В момент разрыва тока резко растёт нагрузка на ключевые элементы устройства и нарушается работа цепи обратной связи, назначенце которой - стабилизировать выходное напряжение. Поэтому работа силового импульсного выпрямительного устройства при нагрузке менее 10% от номинальной считается авар1шным режимом.

Таким образом в случае применения однополупериодных силовых импульсных выпрямительных устройств в электротехнических системах технологического оборудования возникают дополнительные потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное ДР, связанные с низким КПД выпрямительного устройства при его эксплуатации в зоне низких нагрузок.

На рис. 2 представлена упрошенная электротехническая система технологического оборудовать с выделенным силовым выпрямительным устройством, иллюстрирующая вышеизложенное.

Результаты экспериментальных исследований зависимости КПД импульсных силовых выпрямительных устройств от нагрузки представлены на рис. 3 . Так, КПД такого

вида устройств быстро возрастает по мере увеличения нагрузки, достигает максимума при приближении к номинальной мощности и затем медленно снижается.

При эксплуатации импульсного выпрямительного блока с большим запасом мощности, низкая нагрузка на нем попадет в область графика, где КПД еще не достиг максимума (так, например, при токе нагрузки 0,2А, КПД составит всего 70%).

Технологическое оборудование

Рис. 2. Электротехническая система технологического оборудования с выделенным силовым выпрямительным устройством, где Рп - полная мощность Рэтс — мощность, потребляемая электротехнической системой ДР - потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное

2й £ I

То* иагру»««, 1г<. Л.

Рис. 3. Зависимость КПД импульсного выпрямительного блока от нагрузки

10

Еще одним важнейшим показателем эффективности работы выпрямителя является стабильность выходного напряжения.

Экспериментальные исследования силового импульсного выпрямительного устройства при переменных нагрузках показали, что величина выходного напряжения существенно зависит от нагрузки (рис. 4).

Анализ экспериментальных исследований показал, что выходное напряжение импульсного силового выпрямительного устройства изменяется до 7% в зоне низких (до 25%) нагрузок и до 3% в зоне высоких (более 90%) нагрузок.

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения импульсного силового выпрямительного устройства от нагрузки

Таким образом, энергоэффективность и стабильность выходного напряжения импульсных силовых выпрямительных устройств существенно зависит от нагрузки, причем наибольшая зависимость возникает при малых нагрузках.

Третья глава посвящена разработке и исследованию силового импульсного выпрямительного устройства с улучшенными энергетическими характеристиками.

Как было доказано выше, эксплуатация силовых импульсных выпрямительных устройств технологического оборудования в режиме низких нагрузок приводит к ухудшению их энергоэффективности и к снижению стабильности выходного напряжения за счет перехода в режим «разрывного» тока при недостаточности внутреннего энергопотребления. Для компенсации таких режимов в схеме импульсных преобразователей был применен метод пассивной подгрузки. Сущность метода пассивной подгрузки заключается в том, что для

недопущения перехода выпрямительного устройства в режим «разрывного» тока при низких нагрузках в схему силового импульсного преобразователя подключается блок управляемых резисторов. Такие резисторы при своей работе увеличивают ток нагрузки до минимально допустимого уровня, тем самым компенсируя недостаточность внутреннего энергопотребления устройства и обеспечивая стабильности выходного напряжения в режиме низких нагрузок.

Проведенные экспериментальные исследования силового импульсного выпрямительного устройства с пассивной подгрузкой показали, высокую эффективность данного метода для целей стабилизации выходного напряжения во всем диапазоне нагрузок.

На рис. 5 представлена зависимость величины выходного напряжения силового импульсного выпрямительного устройства от нагрузки с использованием метода пассивной подгрузки.

012345678 Ток нагрузки, )н, А

Рис. 5. Зависимость величины выходного напряжения от силового импульсного выпрямительного устройства с использованием метода пассивной подгрузки

Как следует из рис. 5, при использовании метода пассивной подгрузки величина выходного напряжения силового импульсного выпрямительного устройства меняется на всем диапазоне изменения нагрузки не более чем на 4% и практически не меняется в области низких нагрузок. Однако применение метода пассивной подгрузки, обеспечивая высокую стабильность выходного напряжения силовых импульсных выпрямительных

устройств на всем диапазоне изменения нагрузок, не обеспечивает повышение их энергоэффективности.

На рис. 6 представлены результаты исследований зависимости КПД силового импульсного выпрямительного устройства от нагрузки с использованием метода пассивной подгрузки.

100

612 3-45« 7. 89 10

Рис. 6. Зависимость КПД силового импульсного выпрямительного от нагрузки с использованием метода пассивной подгрузки

Как следует из рис. 6 КПД силового импульсного выпрямительного устройства в этом случае быстро возрастает по мере увеличения нагрузки, достигает максимума при приближении к номинальной мощности и затем медленно снижается. Однако силовые импульсные выпрямительные устройства с пассивной подгрузкой показывают в среднем на 5-7% меньшее значение КПД во всем диапазоне нагрузок, а в режиме низких нагрузок (1020% от номинала) значение КПД таких устройств падает до 40% (рис. 6).

Для устранения этого недостатка устройств разработан алгоритм повышения их энергоэффективности во всем диапазоне изменения нагрузок и обеспечения при этом стабильности выходного напряжения по средством применения метода рекуперации энергии.

Структурная схема алгоритма представлена на рис. 7.

Трёхфазное напряжение 380/220 В промышленной частоты 50 Гц поступает по шинам Ы , Ь2 и ЬЗ через входной фильтр на входной преобразователь тока с функцией коррекции коэффициента мощности (ККМ). Постоянное напряжение с выхода этого

13

преобразователя через фильтр постоянного тока и объединительный диод 01 поступает на вход основного высокочастотного преобразователя постоянного тока, выходной ток (1ВЫ!С)

которого подаётся в линию и далее потребителям.

„

( НАЧАЛО

Рис. 7. Структурная схема алгоритма

Функциональная схема такого силового импульсного выпрямительного устройства, реализующего этот алгоритм представлена на рис.8.

Рис. 8. Функциональная схема силового импульсного выпрямительного устройства с применением метода рекуперации 14

Величина выходного тока измеряется посредством датчика тока. Датчик тока вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на вход управления блока рекуперации. Блок рекуперации представляет собой управляемый DC/DC преобразователь. Когда потребляемый от основного DC/DC преобразователя ток становится меньше порогового значения (1ВЫХмик.Х датчик тока вырабатывает команду на включение блока рекуперации, причём потребляемый им ток автоматически устанавливается на таком уровне, чтобы суммарное потребление блока рекуперации и нагрузки не опускалось ниже порогового значения.

Выходной ток блока рекуперации через объединительный диод D2 поступает на вход основного DC/DC преобразователя, то есть практически вся энергия, потребляемая блоком рекуперации (за вычетом потерь), возвращается в систему. Такой алгоритм работы и функциональная схема его реализации позволяет расширить диапазон стабильной работы основного DC/DC преобразователя вплоть до нулевого потребления ценой гораздо более низких энергозатрат, чем в случае пассивной подгрузки. Тем самым обеспечивается возможность работы устройства в режиме горячего резерва без применения каких-либо дополнительных схем управления.

Проведенные экспериментальные исследования силового импульсного выпрямительного устройства с рекуперацией энергии, реализующего функциональную схему представленные на рис. 8, показали, что в сравнении с выпрямительными устройствами с пассивной подгрузкой, они показывают в среднем на 5-7% большее значение КПД во всем диапазоне изменения нагрузки. В режиме низких нагрузок (10-20% от номинала) значение КПД таких выпрямительных блоков до 40% выше аналогов с пассивной подгрузкой (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость КПД силового импульсного выпрямительного устройства от нагрузки с использованием метода рекуперации энергии

f

Результаты экспериментальных исследований зависимости выходного напряжения силового импульсного выпрямительного устройства от нагрузки с использованием метода рекуперации энергии показали также и высокую стабильность выходного напряжения во всем диапазоне изменения нагрузки (рис. 10).

236

к

с 226 £

1-

216

4 5

Ток нагрузки, 1н, А

Рис. 10. Зависимость выходного напряжения силового импульсного выпрямительного

устройства от нагрузки с применением метода рекуперации энергии Как следует из рис. 10 изменение выходного напряжения на всем диапазоне изменения

нагрузки не превышает 2%.

Таким образом, реализация алгоритма построения силового импульсного

выпрямительного устройства с использованием метода рекуперации энергии позволяет на

всем диапазоне изменения нагрузки обеспечить высокую энергоэффективность этих

устройств и высокую стабильность выходного напряжения.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию функциональной модели энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок.

При реализации ряда машиностроительных технологических процессов возникает возможность и целесообразность с точки зрения повышения их энергоэффективности автоматического управления группой силовых выпрямительных устройств.

Полученные результаты исследований разработанного силового импульсного выпрямительного устройства с применением метода рекуперации энергии позволили разработать модель и алгоритм работы автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках.

Предлагаемая система должна состоять из двух силовых выпрямительных устройств, рассчитанных, исходя из суммарной мощности и характера суточного распределения нагрузки потребителей, с интеллектуальной системой управления.

Функциональная схема такой энергосберегающей системы управления представлена на рис. 11, а алгоритм ее работы на рис. 12.

Рис. 11. Функциональная схема энергосберегающей системы управления группой выпрямительных устройств при переменных нагрузках ПРУ1, ПРУ2 - соответственно преобразовательно-распределительные силовые выпрямительные устройства

При достижении максимального значения потребляемого тока 1макс| следует незначительное падение напряжения распределительного устройства, после чего по встречно- параллельной схеме включается второе ПРУ2, вследствие чего происходит перераспределение нагрузки между двумя устройствами до порогового значения потребляемого тока 1макс для указанной группы потребителей. В таком режиме система электроснабжения будет работать до снижения потребляемой мощности.

В момент снижения нагрузки фрагмент энергосистемы перейдет в режим реверса и при достижении значения тока 1макс 1 устройство ПРУ2 отключится. В случае выхода из строя одного блока ПРУ, нагрузка автоматически будет перераспределена на другой. Таким образом, достигается максимальный КПД с применением резервирования для гарантированного энергоснабжения любой группы потребителей электроэнергии.

При этом второй блок ПРУ2 в случае, когда он не используется, находится в режиме горячего резервирования, т.е. работает на холостом ходу. Энергоэффективность его работы в

17

Рис. 12. Алгоритм функционирования автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках 18

данном случае также определяется системой рекуперащш электроэнергии, описанной выше.

В качестве потребителей в такой системе могут выступать отдельные участки производства, а также в отдельных случаях цеха и небольшие предприятия в целом.

Основные выводы и результаты работы.

1. Выполнена научно-квалификационная работа, в которой содержится решение задачи повышения энергетической эффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок, имеющая существенное значение для современного машиностроения.

2. Установлены качественные и количественные взаимосвязи между энергетическими характеристиками силовых выпрямительных устройств технологического оборудования и параметрами технологических процессов, реализуемых на этом оборудован™, показавшими, что КПД этих устройств и стабильность выходного напряжения зависят от величины нагрузки, причем наиболее существенное их изменение имеет место при малых нагрузках.

3. На основе установленных взаимосвязей предложены модели и алгоритмы построения автоматизированных устройств повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных и малых нагрузках с использованием методов пассивной подгрузки и рекуперации энергии, а также для управления, группой энергоэффективных силовых выпрямительных устройств технологического оборудования, обеспечивающие уменьшение потребления электроэнерпга на 3-5% за счет рекуперации энергии дополнительными преобразовательно-распределительными силовыми устройствами.

4. Экспериментальные исследования разработашгых моделей и алгоритмов показали, что наибольший эффект в повышении энергоэффективности сотовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках достигается при использовании метода рекуперащга энергии. При этом КПД выпрямительного устройства повышается до 4-10% а при управлении группой выпрямительных устройств до 5-7% при высокой стабильности выходного напряжения.

5. Предложена методика повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок, основанная на пассивной подгрузке этих устройств и рекуперащга энергии.

6. Результаты работы предлагается использовать в промышленности, где

19

технологические процессы реализуются на оборудовании, в состав электротехнических систем которых входят силовые выпрямительные устройства, а также в учебном процессе при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлениям: "Автоматизация технологических процессов и производств" и "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств".

Список печатных работ:

Из перечня научных журналов, утвержденного Высшей аттестационной комиссией:

1. Хайро ДА. Повьппепие энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме малых нагрузок//Вестник МГТУ «Станкин», №3, 2012. С. 79-84.

2. Хайро Д А., Шульга А.Р., Змпева К.А., Хренов С.И. Повышение надежности и грозоупорности распределительных сетей 6-110 кВ // Вестник МЭИ № 3, 2012 г. С. 38-42.

3. Власов В.И. Хайро Д А. Исследование потенциала снижения энергоемкости насосных установок промышленного оборудования // Электротехнические комплексы и системы управления, №3, 2012 г. С. 12-15.

4. Змиева К.А., Хайро Д А., Должикова Е.Ю. Снижение потерь и повышение качества электроэнергии за счет применения устройств корректировки параметров питающего напряжения электропотребителей // Электротехнические комплексы и системы управления. №3,2012 Г. С. 16-21.

5. Букейханов Н.Р., Чмырь И.М., Хайро Д А., Сергеев ВН. Эвристические методы модернизации производств машиностроительных предприятий // Вестник МГТУ «Станкин». 2010. № 3. С. 75-79.

6. Кулагин O.A., Хайро Д А., Перерайнов С.А. Возможность повышения энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме малых нагрузок // Энергобезопасность и энергосбережение. 2013. № 1. С. 23-28.

Публикации в других изданиях:

7. Хайро Д А., Змиева К.А. Анализ существующих способов повышения эффективности и устойчивости функционирования интеллектуальных систем энергоснабжения групповых потребителей в сетях постоянного тока // Сборник материалов всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении» (ИТМ-2011), г. Москва, с. 64-66.

8. Хайро Д А., Змпева К.А., Шумихина Е.М., Козлов Д.В., Кузнецова Е.В. Создание энергосберегающих систем для электроприводов промышленного оборудования // Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, 2010, с. 140-144.

9. Хайро Д.А., Змиева К.А. Результаты исследований возможности повышения энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме малых нагрузок // Сборник трудов всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии» (АИТ-2012), 2012, с. 248-251.

10. Хайро ДА., Переход от энергоаудиту к энергосервису // Сборник тезисов-докладов участников конференции «Энергоэффективпость. Наука и образование» (г. Якутск), 2014 г., с 104.

Научное издание

Хайро Дарья Алексеевна

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ

СИЛОВЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.07.2015 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 118.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН». 127055, Москва, Вадковский пер., За. Тел.: 8(499) 973-31-93