автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Энергосберегающее управление электронагревательными и осветительными установками в аграрном комплексе Монголии

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Климатические условия Монголии, характеристики температурного режима и продолжительности светового дня.

1.2. Обоснование применения электрической энергии для нагревательных и осветительных установок производственного и бытового назначения.

1.3. Электронагревательные и осветительные установки производственного и бытового назначения для аграрных хозяйств Монголии.

1.4. Способы и технические средства управления электронагревательными и осветительными установками.

1.5. Состояние научных исследований управления электронагревательными и осветительными установками, задачи исследования.

2. Исследование энергетических характеристик электронагревательных и осветительных установок с полупроводниковыми преобразователями.

2.1. Основные энергетические характеристики электроустановок с полупроводниковыми преобразователями.

2.2. Структурные схемы электронагревательных и электроосветительных установок с полупроводниковыми преобразователями.

2.3. Энергетические характеристики системы: полупроводниковый преобразователь - электронагревательная и электроосветительная установка.

2.4. Методика расчета энергетических характеристик электронагревательных и осветительных установок с преобразователями.

3. Технические средства, обеспечивающие энергосберегающее управление электронагревательными и осветительными установками.

3.1. Энергосберегающие полупроводниковые преобразователи для управления электронагревательными установками.

3.2. Энергосберегающие преобразователи для управления осветительными установками.

3.3. Системы управления тиристорными преобразователями электронагревательных и осветительных установок.

4. Экспериментальные исследования устройств управления электронагревательными и осветительными установками.

4.1. Методика экспериментальных исследований электронагревательных и осветительных установок с полупроводниковыми преобразователями.

4.2. Оценка погрешности экспериментальных и теоретических исследований.

4.3. Результаты экспериментальных исследований.

5. Технико-экономическая оценка эффективности энергосберегающего управления электронагревательными и осветительными установками.

5.1. Определение сметной стоимости оборудования.

5.2. Определение дополнительных эксплуатационных расходов.

5.3. Определение экономической эффективности внедрения преобразователей.

Выводы.

Решение проблемы энергосбережения в условиях развивающегося топливно-энергетического комплекса Монголии создает условия для широкого применения электрической энергии, расходуемой на обогрев и освещение производственных, административных и бытовых помещений, а также для выполнения технологических процессов в крестьянских хозяйствах. Актуальность расширенного применения электронагревательных и осветительных установок имеет особое значение для страны с мощным аграрным производством, с производственной направленностью на отгонное скотоводство и с возрастающим числом фермерских, крестьянских хозяйств, рассредоточенных на большой территории. Применение автономных систем электротеплоснабжения в небольших крестьянских хозяйствах позволяет снизить энергозатраты на 30. .40% и общие производственные затраты на 20. .30% [1,2].

Дальнейшее снижение энергоемкости технологических процессов возможно за счет управления мощностью технологических установок, за счет обеспечения оптимального режима работы электроустановок с помощью полупроводниковых преобразователей. С применением полупроводниковых преобразователей снижается расход энергии электронагревательными и осветительными установками до 20.40% от их общего энергопотребления, улучшается качество работы электроаппаратов [3,4].

В настоящее время разработаны и заводами изготавливается преобразовательная техника, комплектная аппаратура управления с использованием различных силовых полупроводниковых приборов и широким рядом установленных мощностей. Однако общим недостатком полупроводниковых преобразователей являются: ухудшение энергетических показателей потребителей электроэнергии, отрицательное воздействие преобразователей на показатели качества электрической энергии в питающих электрических сетях и на работу других электроаппаратов, ограниченная единичная установленная мощность. Так коэффициент мощности электроустановок с известными преобразователями снижается до нуля при управлении активной мощностью нагрузки. Коэффициент несинусоидальности и размах колебаний напряжения в сети превышают предельно допустимые значения, если преобразователь мощностью 20 кВА питается от трансформаторных подстанций 160 кВА и менее с длиной электрических линий 10 кВ и 0,4 кВ не более 500 м.

В этой связи решаемая проблема повышения энергетической эффективности преобразовательной техники для электронагревательных и осветительных установок с электроснабжением от маломощных источников и электрических сетей является актуальной.

Диссертация посвящена исследованию энергетических процессов в электронагревательных, осветительных установках и обеспечению энергосбережения на основе управления мощностью.

Научную новизну диссертационной работы характеризуют следующие основные результаты:

- исследована физическая сущность энергетических процессов в системе: полупроводниковый преобразователь - электронагревательная и осветительная установка и разработана математическая модель энергетических процессов в электрических цепях с преобразователями;

- предложен новый метод повышения энергетической эффективности полупроводниковых преобразователей, заключающийся в плавном изменении способа соединения нагревательных элементов во времени установок, работающих по свободному режиму энергоснабжения и теплоаккумулирую-щих установок с принужденным режимом энергоснабжения;

- энергоэкономия и увеличение ресурса осветительных установок обеспечивается преобразователями, мощность которых меньше установленной мощности нагрузки за счет прямой передачи неуправляемой части мощности от источника к потребителям электрической энергии;

- разработанными системами управления обеспечивается реализация алгоритмов управления полупроводниковыми преобразователями электронагревательных, осветительных установок для достижения энергосбережения и их электромагнитной совместимости с маломощными электрическими сетями.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработаны полупроводниковые преобразователи, обеспечивающие энергосбережение, электромагнитную совместимость с электрическими сетями и выполняющие зарядку теплоаккумулирующих установок без увеличения потребляемого тока из сети в процессе управления мощностью электронагревательных установок, работающих в режиме свободного энергоснабжения, преобразователи внедрены в фермерских и крестьянских хозяйствах;

- алгоритм управления полупроводниковыми преобразователями позволяет применять современные электронагревательные, осветительные установки в подсобном хозяйстве и в быту населения с электроснабжением от маломощных источников энергии через электрические сети, отличающиеся большой протяженностью и малой пропускной способностью;

- математическая модель энергетических процессов и методика расчета энергетических характеристик электронагревательных, осветительных установок применяется в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации специалистов.

Достоверность разработанных математических моделей, методики расчета и эффективность технических решений обоснована теоретически и подтверждена оценкой адекватности теоретических и экспериментальных исследований. Погрешность расчетных значений, не превышающая ±5%, получена с «надежностью» не менее 95% и обеспечена точностью измерительных приборов, необходимым количеством измерений.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Монгольского сельскохозяйственного университета и Иркутского государственного университета путей сообщения 1997.2003 г.г., на международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (МГАУ, г.Москва, 1997г.), на Юбилейной научно-технической конференции Иркутской государственной сельскохозяйственной академии 2001г., на семинаре «Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование» (Международный выставочный комплекс «СибЭкспоЦентр», г.Иркутск, 1-4 октября 2002г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 5 статей в сборниках научных трудов, в научно-технических журналах и тезисы доклада.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников, включающего 96 наименований и приложений. Объем диссертации содержит 150 страниц машинописного текста, 41 рисунок и 24 таблицы.

139 ВЫВОДЫ

1. Результаты анализа современного состояния методов и технических средств децентрализованного использования электрической энергии для получения тепловой энергии и для освещения показывают, что, несмотря на достаточно высокий уровень мирового опыта разработки и производства электронагревателей, устройств электрического освещения имеются резервы в обеспечении энергосбережения, в повышении эффективности использования маломощных источников электрической энергии и развитых, с большой протяженностью, с низкой пропускной способностью электрических сетей Монголии.

2. Применение полупроводниковых преобразователей для энергоэкономии в электронагревательных и осветительных установках сдерживается ухудшением их энергетических показателей в режимах управления, ухудшением качества электрической энергии в электрических сетях и ограничением единичной установленной мощности преобразователей.

3. Исследованием электромагнитных процессов в электрических цепях с полупроводниковыми преобразователями установлено, что интегральное значение напряжения повышается на силовых полупроводниковых приборах преобразователей по мере увеличения глубины регулирования активной мощности, что и является основной причиной низких энергетических показателей электроустановок с преобразователями.

4. С помощью разработанной математической модели энергетических процессов в электронагревательных и осветительных установках с полупроводниковыми преобразователями можно количественно оценить энергетическую эффективность работы отдельных элементов электроустановки. Энергосбережение и электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей с питающими сетями достигается плавным изменением способа соединения нагревательных элементов во времени и изменением коэффициента преобразования напряжения преобразователя в процессе управления активной мощностью электронагревательных установок, работающих по свободному режиму энергоснабжения и теплоак-кумулирующих установок с принудительным режимом энергоснабжения.

5. Ресурсосбережение в процессе работы осветительных установок и других электроприборов достигается путем прямой передачи неуправляемой части мощности от источника к потребителям электрической энергии и управлением, с помощью преобразователя, другой частью мощности, поступающей к электроустановкам. Энергоэкономию, увеличение ресурса осветительных установок можно обеспечивать преобразователями, мощность которых меньше установленной мощности нагрузки.

6. Разработанными системами управления обеспечивается реализация алгоритмов управления полупроводниковыми преобразователями для достижения энергосбережения и их электромагнитной совместимости.

7. Экспериментальные данные, полученные во время испытания электронагревательных и осветительных установок с преобразователями, подтвердили адекватность математических моделей энергетических процессов в электрических цепях реальным физическим процессам. Испытания опытных образцов преобразователей сопротивления подтвердили их работоспособность.

8. Технико-экономические расчеты показывают, что за счет применения преобразователей для управления электронагревательными и осветительными установками можно сократить затраты электрической энергии в среднем на 1800 кВт-ч за год в одном индивидуальном хозяйстве. На один рубль капитальных вложений можно получить 6,3 рубля прибыли за счет применения полупроводниковых преобразователей сопротивления, а единовременные затраты окупаются за 2,1 года.

Благодаря использованию разработанных полупроводниковых преобразователей становится возможной реализация программы широкого применения электрической энергии для децентрализованного получения тепловой и световой энергии от маломощных источников энергии и протяженных электрических сетей Монголии.

1. Пястолов А.А., Чарыков В.И., Павлович Н.И. Экономия электроэнергии в сельском хозяйстве. Челябинск: Южно-Уральское книжное издательство,1988.- 135 с.

2. Благих В.Т. Эффективность электротеплоснабжения коммунально-бытовых потребителей // Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства: Сборник научных трудов ВАСХНИЛ / Сибирское отделение. Новосибирск, 1985. - С. 36 - 46.

3. Ганелин A.M. Экономия электроэнергии в сельском хозяйстве. М.: Колос, 1983.- 142 с.

4. Кунгс Я.А., Фаермарк М.А. Экономия электрической энергии в осветительных установках. -М.: Энергоатомиздат, 1984.

5. Смит К. Эффективное использование электроэнергии /Перевод с англ. под ред. Вольфберга Д.Б. М.: Энергоиздат, 1981.

6. Таранижевский М.В., Афанасьева Е.И. Пути экономии электроэнергии в жилищно-коммунальном хозяйстве. М.: Стройиздат, 1980.

7. Cheetham W.T., Ball R.A. Microcomputer control of power system. A technical prerentation by GEC Mesurements Limited, 1983.

8. Дацков И.И., Мазанов С.С. Электрические нагревательные устройства. -М.: Россельхозиздат, 1973. 96 с.

9. Бутько И.И., Полуянов М.И. Экономия электрической энергии в сельскохозяйственном производстве. Минск: Ураджай, 1985. - 47 с.

10. Ю.Ерошенко Г.П. Экономические основы оптимального использования электрооборудования // Научные труды Саратовского СХИ. 1980. -Вып. 135.-C.3-18.

11. Расстригин В.Н. Основы электрификации тепловых процессов в сельскохозяйственном производстве. -М.: Агропромиздат, 1988. -255 с.

12. Королева Т.Г., Качанов А.Н., Качанов Н.А. Исследование электронагревательных устройств в сельскохозяйственном производстве // Сборник научных трудов НГАВТ. Новосибирск, 1998. - С. 58 - 60.

13. Королева Т.Г. Разработка электронагревательных устройств для бытовых и производственных нужд сельского хозяйства. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Барнаул: АлтГТУ, 1999.- 196 с.

14. Рубцов П.А., Осетров П.А., Бондаренко С.П. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве. М.: Колос, 1971. - 527 с.

15. Теплые полы. Терморегуляторы, автоматика управления EBERLE. Германия, 2002. - 4 с.

16. Водонагреватели Термекс. Компания LORENZI VASCO. Италия, 2002. -8 с.

17. Электрическая система отопления Thermor. Швеция, 2002. - 2 с.

18. Кобленц М.Г. Силовые герконы. М.: Энергия, 1979.

19. Липковский К.А. Трансформаторно-ключевые исполнительные структуры преобразователей. Киев: Наукова думка, 1983. - 216 с.

20. Расстригин В.Н., Дацков И.И., Сухарева Л.И., Голубев В.М. Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. М.: Аг-ропромиздат, 1985. - 237 с.

21. Borst D.W., Diebold E.J., Parrish F.W. Регулирование напряжения при помощи силовых тиристоров. М.: Отделение ВНИИЭМ, 1966. - 52 с.

22. Расстригин В.Н., Сухарева Л.И. Система автоматизированного электрообогрева в рассадной пленочной теплице // В кн.: Проблемы электромеханизации защищенного грунта. М.: ВИЭСХ, - С. 19-21.

23. Сухарева Л.И., Кубышева Н.В. Комплектные технические средства для автоматизации управления электрообогревом почвы и поливом в пленочных теплицах // Научно-технич. бюллетень по электрификации сельского хозяйства.-М.: ВИЭСХ, 1987, вып. 1.-С.32-41.

24. Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве / В.Н. Расстригин, И.И. Дацков, Л.И. Сухарева, В.М. Голубев. М.: Агро-промиздат, 1985. - 304 с.

25. Быстрицкий Д.Н., Сухарева Л.И., Колокольцев В.П. Полупроводниковая тиристорная пускорегулирующая аппаратура для электрокалориферов и вентиляторов // Техника в сельском хозяйстве, 1974, № 8, С. 51 55.

26. Шичков Л.П. Микроконтроллерное управление тиристорными регуляторами // Техника в сельском хозяйстве, 1988, № 6, С. 28 31.

27. Живописцев Е.Н., Косицын О.А. Электротехнология и электрическое освещение. М.: Агропромиздат, 1990. - 303 с.

28. Медведев С.И., Пивоваров Л.М. Управление приточно-вытяжными установками в животноводческих помещениях // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1989, № 4, С. 36 39.

29. Баранов Л.А., Барков В.И., Широков В.Г. Управление работой электродных водонагревателей с помощью тиристоров // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана, 1985, № 5, С. 76 79.

30. Баранов Л.А., Барков В.И., Широков В.Г. Применение тиристорного управления для регулирования мощности электродных водонагревателей / В кн.: Комплексная механизация процессов сельскохозяйственного производства. Алма-Ата, 1986.-С. 140- 155.