автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Идентификация показателей качества несинусоидальных процессов в судовых автоматизированных электроэнергетических системах со статическими преобразователями

На правах рукописи

003458900

Румянцев Максим Анатольевич

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В СУДОВЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СО СТАТИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\

Санкт-Петербург 2008 г.

г'."31^

I;

003458908

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университс те водных коммуникаций (СПГУВК).

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Зубарев Юрий Яковлевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Кузнецов Сергей Емельянович Кандидат технических наук Русинов Игорь Александрович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН (СПИИРАН)

Защита диссертации состоится 29 января 2009 года в 14— в ауд. 235 на заседании диссертационного совета Д.223.009.03 при Санкт-Петербургско государственном университете водных коммуникаций по адресу: 19803 Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГУВК. Автореферат разослан « 12 » декабря 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Барщевский Е.Г.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследования. Научно-технический прогресс в области силовой полупроводниковой техники привел к широкому использованию в современных и перспективных автоматизированных судовых электроэнергетических системах (АЭЭС) статических преобразователей, которые обладают существенными технико-экономическими преимуществами перед другими преобразователями электроэнергии.

Совершенствование судовых АЭЭС связано как с появлением новых задач, которые должны решать эти системы, так и с научно-техническим прогрессом в области судовой электротехники и других смежных областях. Поэтому при проектировании АЭЭС перспективных судов возникает ряд принципиально новых проблем обеспечения качества электроэнергии. Необходимо отметить следующие особенности, оказывающие значительное влияние на процессы исследования и проектирования АЭЭС перспективных судов:

- увеличение числа и суммарной мощности статических преобразователей существенно влияет на качество электрической энергии АЭЭС и электромагнитную обстановку на судах;

- исключение электромашинных преобразователей частоты из систем вторичного электропитания и обеспечение электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) непосредственно от общесудовой сети с частотой 50 Гц требует более тщательного рассмотрения вопросов обеспечения заданного качества электрической энергии;

- увеличение насыщенности судов радиоэлектронной аппаратурой и рост чувствительности этой аппаратуры к электромагнитным помехам обостряет проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) электрооборудования и РЭА в условиях электромагнитных полей, в частности, полей, излучаемых силовыми кабельными линиями. Проблема электромагнитной совместимости должна решаться, прежде всего, на стадии проектирования, как отдельных технических устройств, так и их комплексов в масштабе АЭЭС судна.

Особенно часто указанные проблемы возникают при проектировании АЭЭС перспективных судов, предназначенных для освоения мирового океана, где использование мощных статических преобразователей для питания электроприводов технологических комплексов, систем электродвижения и позиционирования требует принятия специальных мер для обеспечения заданного качества электрической энергии.

Питание судовых электронных средств непосредственно от судовой сети через статические преобразователи позволяет существенно улучшить экономические и массогабаритные характеристики систем вторичного электропитания, а также повысить их надежность и коэффициент полезного действия.

Современные электроэнергетические системы содержат большое число статических преобразователей, суммарная мощность которых соизмерима с суммарной мощностью генераторов.

Статические преобразователи по своей природе представляют сущест венно нелинейную нагрузку, потребляющую от генераторов несинусоидальны! ток. Падение напряжения высших гармонических составляющих несинусои дального тока на индуктивных сопротивлениях отдельных элементов АЭЭС, частности, генераторов, трансформаторов и кабельных линий, приводит к ис кажению формы кривой напряжения и тока, вызывают дополнительный нагре генераторов, асинхронных двигателей, конденсаторов, а также могут вызват нарушение нормальной работы отдельных потребителей. Наиболее жестки требования к качеству электроэнергии предъявляют при питании радиоэлек тронных, вычислительных и информационных систем и устройств, которы широко применяют на судах. Согласно Российскому Морскому Регистру Судо ходства величина коэффициента несинусоидальных искажений формы криво напряжения судовых АЭЭС не должна превышать 10%. Однако в судовых АЭ ЭС с мощными выпрямителями величина коэффициента искажения в отдель ных режимах превышает эту величину. Наличие гармонических составляющи тока в кабельных линиях, как уже говорилось выше, приводит к возникновени электромагнитных полей. Поэтому увеличение мощности статических выпря мителей существенно усложняет решение проблемы электромагнитной совмес тимости различных видов электрооборудования, а также электрического и ра диоэлектронного оборудования.

Для решения проблемы электромагнитной совместимости статистически преобразователей и электрооборудования в АЭЭС возникает необходимость создании оперативных методов расчета электромагнитных процессов.

Существующие методы расчета показателей качества электромагнитны процессов в судовых АЭЭС со статическими преобразователями основаны н определении отдельных гармонических составляющих напряжения. Посколь электромагнитные процессы в АЭЭС со статическими выпрямителями доста точно сложны и описываются дифференциальными уравнениями весьма высо кого порядка, то аналитические методы расчета гармоник напряжения разраба тываются на основе ряда допущений (неискаженное питающее напряжени бесконечно большая индуктивность в цепи нагрузки, линейный характер изме нения коммутации и т.д.), что в некоторых случаях приводит к значительны ошибкам. Но даже при этом используемые выражения громоздки, а расч сложных схем с несколькими статическими выпрямителями с учетом их взаи мовлияния оказывается практически невозможным. Также в качестве исходны данных существующих аналитических методов, кроме параметров схем заме щения АЭЭС с преобразователями, используют углы управления и коммута ции. Указанные углы, в свою очередь, зависят от параметров схем замещения величин и характера нагрузки, законов регулирования формы выходного на пряжения. В результате для получения значений углов управления и коммута ции в расчетном режиме, соответствующем заданному выходному напряже нию, вычисления приходится вести итеративно, методом последовательног приближения.

Другой метод расчета показателей качества несинусоидальных электромагнитных процессов основан на решении полных дифференциальных уравнений, описывающих указанные процессы в исследуемой АЭЭС, получении мгновенных значений напряжения и проведении гармонического анализа. Этот метод по точности и универсальности значительно превосходит аналитический. Применение персональных компьютеров (ПК) позволяет принять в качестве исходных расчетных данных известные параметры рассчитываемой АЭЭС со статическими преобразователями, причем ПК автоматически выполняет все необходимые операции по заданной программе. Однако такой подход приводит к существенному усложнению расчетов, которые также должны производиться итеративными методами.

Для преодоления указанных трудностей возникает необходимость разработки комплекса полиномиальных моделей несинусоидальных процессов в АЭЭС с силовыми статическими преобразователями, работающими в установившихся режимах.

Так как судовые АЭЭС с выпрямителями были подробно рассмотрены в работах Зубарева Ю.Я., ниже будут рассматриваться полиномиальные модели АЭЭС с непосредственными преобразователями частоты (НПЧ), соответствующие следующим эквивалентным расчетным схемам:

- АЭЭС с трехфазным шестипульсным непосредственным преобразователем частоты (НПЧ);

- АЭЭС с шестифазным шестипульсным НПЧ;

- АЭЭС с трехфазным двенадцатипульсным НПЧ;

- АЭЭС с шестифазным двенадцатипульсным НПЧ.

Полученные в работе полиномиальные модели позволяют рассчитать показатели несинусоидальных процессов в АЭЭС, содержащих один или несколько разнотипных или однотипных синхронных генераторов, работающих параллельно на общие шины. К этим шинам могут подключаться асинхронные двигатели, один или несколько статических преобразователей и фильтрокомпенси-рующее устройство, представляющее собой последовательно соединенные реакторы и батарею конденсаторов. При определенных допущениях, указанные полиномиальные модели могут использоваться для более сложных схем замещения АЭЭС, в частности, для АЭЭС с межсекционными реакторами.

Одной из важнейших проблем, возникающих при исследовании и проектировании судовых АЭЭС, является проблема повышения качества несинусоидальных электромагнитных процессов, решение указанной проблемы сталкивается с рядом трудностей, связанных прежде всего со сложностью описания математических моделей процессов автоматизированных судовых АЭЭС и большим числом противоречивых требований, предъявляемых к ним.

В связи с этим целью исследования диссертационной работы является повышение качества электроэнергии в судовых АЭЭС со статическими преобразователями путем решения задачи идентификации АЭЭС в классе полиномиальных моделей, положенных в основу методик оперативных расчетов показателей качества несинусоидальных процессов.

В соответствии с указанной целью в работе сформулированы, обоснова ны и решены следующие задачи:

1. Анализ существующих АЭЭС со статическими преобразователями i формирование требований, применяемых к этим системам.

2. Идентификация показателей искажения напряжения в АЭСС на осно ве многофакторных полиномиальных моделей.

3. Разработка многофакторных кусочно-полиномиальных и мультипли кативно-полиномиальных моделей.

4. Разработка методики расчета показателей качества несинусоидальны процессов в АЭЭС с НПЧ.

Предмет исследования представляют теоретические основы разработк и практическая реализация моделей показателей качества несинусоидальны процессов в АЭЭС со статическими преобразователями, основанных на обра ботке результатов расчетов в соответствии с непрерывными оптимальным планами вычислительного эксперимента.

Методы исследования. Методической основой и общей формальной ба зой диссертационного исследования служит теория планирования эксперимен та, теория вероятностей и математическая статистика, а также методы матема тического моделирования автоматизированных электроэнергетических систем Исследования опираются на материалы ЦНИИ СЭТ, судостроительных научно исследовательских институтов (НИИ) и конструкторских бюро (КБ), Санкт Петербургского государственного университета водных коммуникаций, Кано нерского Судоремонтного Завода, специальную математическую и техниче скую литературу.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в раз работке методов построения многофакторных полиномиальных моделей неси нусоидальных процессов.

Наиболее значительными результатами, впервые полученными автором являются:

1. Формализация задачи многофакторной идентификации судовы АЭЭС со статическими преобразователями на основе полиномиальны моделей.

2. Определение в явном виде условий для оптимальной идентифика ции кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных мо делей показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС со ста тическими преобразователями.

3. Синтез планов для определения кусочно-полиномиальных и муль типликативно-полиномиальных моделей показателей качества несину соидальных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

4. Определение кусочно-полиномиальных и мультипликативно полиномиальных моделей показателей качества процессов в АЭЭС с не посредственными преобразователями частоты, положенных в основу one ративных методов расчета.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований доказана целесообразность и эффективность использования кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей для решения конкретных задач, возникающих при проектировании автоматизированных судовых АЭЭС. Разработанные модели и программные средства легли в основу методики, позволяющей повысить эффективность расчета показателей качества несинусоидальных процессов судовых АЭЭС.

Реализация работы. Разработанные в диссертации кусочно-полиномиальные и мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС, а также компьютерная система определения показателей качества процессов в АЭЭС с непосредственными преобразователями частоты внедрены в ЗАО "Канонерский Судоремонтный Завод".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной технической конференции "ТрансКом-2005", "Научно-технической конференции молодых научных сотрудников 2005" СПГУВК, международной конференции "Региональная Информатика - 2006", научно-методических конференциях НМК-2004, 05, 06 (СПб, СПГУВК, 2004-2006), кафедральных семинарах "Контроль и диагностика транспортных систем" с 2004-2006, СПГУВК, Шестой международной научно — практической конференции "Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности" 2008 СПГУВК.

Публикации. Основные положения о работе рассмотрены в семи публикациях, в том числе одна из статей опубликована в издании, имеющимся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы: Работа состоит из введения, 4-х глав основного текста, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 181 страница, в том числе 32 рисунка, 27 таблиц и список использованных источников из 101 наименования.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе формулируется задача исследования. Рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости статических преобразователей и судового электрооборудования. Уделяется внимание общим принципы преобразования частоты в статических устройствах, классификации преобразователей и краткой характеристике их свойств. Рассматриваются основные требования, предъявляемые к статическим преобразователям частоты. Подробно рассматриваются непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) и их электромагнитная совместимость.

Задача повышения качества электроэнергии в АЭЭС перспективных кораблей и судов, в частности, судов для освоения мирового океана, встречает ряд существенных затруднений. Следует учитывать, что совершенствование судовых АЭЭС связано как с появлением новых задач, которые должны решать эти системы, так и с развитием элементной базы. Мероприятия по обеспечению

ЭМС во многих случаях оказываются весьма дорогостоящими, и стоимость и реализации существенно увеличивается по мере создания судна на разных ста диях проектирования, постройки и ввода в эксплуатацию. Выявление необхо димых для обеспечения ЭМС мероприятий и их реализация должны быть про ведены в возможно более ранний период создания судна. Последнее определя большую значимость методов расчетной оценки и проектного обеспечени ЭМС судовых технических средств. Статические преобразователи, обладая целом лучшими, чем электромашинные преобразователи, технико экономическими показателями, не только вытесняют последние, но и находя все новые области применения на современных судах. НПЧ осуществляют не посредственное преобразование частоты на основе реверсивных управляемы выпрямителей без промежуточных преобразований, что обеспечивает боле высокий коэффициент полезного действия (КПД), низкий уровень искажения сравнительно небольшие массогабаритные характеристики.

Вторая глава посвящена формализации идентификации несинусоидаль ных процессов.

Рассмотрены вопросы моделирования электромагнитных процессов в не посредственном преобразователе частоты на примере стандартной схемы НПЧ.

Разработанная модель позволяет производить расчеты электромагнитны процессов в реверсивном приводе постоянного тока с раздельным управлением

При этом следует учитывать, что преобразователь представляет собо систему с переменной структурой, каждому состоянию которой соответствуе определенная комбинация проводящих и запертых вентилей.

Для решения этой задачи в ЦНИИ СЭТ был разработан структурно параметрический метод моделирования АЭЭС со статическими преобразовате лями, который был положен в основу отраслевого стандарта по оценке коэффи циента искажения АЭЭС.

Рассмотрим схему судовой АЭЭС с непосредственным преобразовате лем частоты (рис. 1.):

Рис. 1. Схема судовой АЭЭС с НПЧ. (СГ - синхронный генератор; ТР - трансформатор; НПЧ - непосредственный преобразовател частоты; АДэ - эквивалентный асинхронный двигатель; АДн - асинхронный двигатель нагрузки).

Анализ электромагнитных процессов в системе синхронный генерато (СГ) — НПЧ, при соизмеримости мощности СГ и НПЧ, показал, что в качеств факторов, определяющих величину коэффициента искажения^, могут быт приняты следующие параметры:

- г ~ 2 — расчетное сопротивление генератора,

где x'j, х"ч — сверхпереходные сопротивления СГ по продольной и поперечной осям соответственно, о. е.;

- С/д. — напряжение короткого замыкания входного трансформатора НПЧ;

- Я = --глубина регулирования выходного напряжения НПЧ,

где — амплитуда основной гармоники выходного напряжения НПЧ в расчетном режиме;

— амплитуда основной гармоники выходного напряжения НПЧ в режиме холостого хода при максимально открытых тиристорах;

— -А Г f

- Р ~ — соотношение частот напряжения на входе Л и выходе л НПЧ;

- cos<f> — коэффициент мощности нагрузки НПЧ при задаваемой частоте выходного напряжения преобразователя;

- S ~ "/scr — относительная полная мощность преобразователя, o.e.,

где snp — полная потребляемая мощность НПЧ в расчетном режиме, кВт;

Scr — полная номинальная мощность генератора, кВА. Как известно, относительная величина v -й гармонической составляющей

и -4L

и'

напряжения 1 АЭЭС со статическими преобразователями может быть

представлена через относительную величину v-ü гармонической составляющей тока следующим образом:

Uv=v-Snp-xr-lv (1)

Тогда величину коэффициента искажения можно представить выражением:

Соответственно: Ju=S„pxTJUar, где J,,nr = Jll02^ ' ' приведенный коэффициент искажения.

Величины приведенного коэффициента искажения JVar и гармонических составляющих тока меняется в достаточно ограниченных пределах. Поэтому точность аппроксимации приведенных показателей искажения JVnr, и /„ будет значительно выше, чем у соответствующих не преобразованных показателей, в особенности в областях значений показателей для решения задач оценки и по-

вышения качества электромагнитных процессов в судовых АЭЭС со статиче скими преобразователями.

Планирование вычислительного эксперимента на основе специализиро ванных вычислительных моделей и обработка полученных результатов позво ляет осуществить активную идентификацию процессов в АЭЭС.

В соответствии с функциональным подходом представим судовую АЭЭ в виде некоторой сложной схемы с входными и выходными величинам

Полиномиальные модели процессов в судовых АЭЭС представляют со бой полиномиальные зависимости показателей качества процессов от иссле дуемых параметров АЭЭС или их схем замещения.

При разработке полиномиальных моделей осуществляется путем исполь зования обобщенного критерия наименьших квадратов, предусматривающег минимизацию суммы взвешенных квадратов отклонений:

- ¿ЛМ (3)

и=1

Для решения отдельных задач исследования и проектирования судовы АЭЭС, как правило, могут быть использованы полиномиальные модели вида:

п п п п1 п1 п I

=б„+2>л+2>,л + Е^л+2Х*.3 + 5Х*л2 + ПК*.*,*, (4)

1-1 1«1 М=1 I»] 1.1-1 1..М-1

К1 I

В подобных случаях возникает задача построения планов, обеспечиваю щих наилучшую возможную аппроксимацию "истинной" полиномиальной за висимости некоторой аппроксимирующей полиномиальной моделью.

Полиномиальные модели в общем случае при идентификации несинусои дальных процессов в судовых АЭЭС могут быть представлены следующим об разом: Дх,В ) = /т(х)В (5)

где х - вектор нормированных значений параметров АЭЭС, /г(3с)-вектор базисных функций модели,

— т

В= [Ь^,Ь^,..,ЬаУ - вектор коэффициентов модели.

Будем считать, что в каждом конкретном случае может быть выбрана так называемая аппроксимируемая модель вида модель (5), которая с необходимой точностью описывает зависимость показателя процесса от исследуемых параметров. Однако определение этой модели во многих случаях не представляется возможным или целесообразным. Определяется аппроксимирующая модель процесса, которой соответствуют подвектор базисных функций (х), не содержащий отдельные компоненты вектора / (х). Указанные компоненты вектора объединяются в подвектор f1 (х).

Для повышения точности аппроксимирующих моделей необходимо выбрать план вычислительного эксперимента таким образом, чтобы обеспечить оптимальную идентификацию судовой АЭЭС, то есть минимизировать интегральную оценку ошибки аппроксимации, усредненную по заданной области изменения параметров АЭЭС с учетом закона распределения этих параметров.

Матрица моментов плана эксперимента представляется в виде:

М--

м21 мп

(6)

где А/,,и Мгг~ подматрица информационной матрицы, соответствующие векторам /, (х) и /2 (х).

Необходимые и достаточные условия оптимальной идентификации записываются в виде матричного уравнения:

МПМЧ=АпА1 , (7)

гдеЛ„ и А12 подматрицы матрицы моментов А .закона распределения параметров судовых АЭЭС.

Структура матрицы А аналогична структуре матрицы М .

Рассмотрен случай, когда аппроксимируемая модель несинусоидального процесса АЭЭС имеет третий порядок, а аппроксимирующая сочетание второго и третьего порядков.

В работах Зубарева Ю.Я. для определения оптимального плана эксперимента рекомендуется воспользоваться достаточными, а не необходимыми и достаточными условиями. Достаточные условия, как это видно из (7), представляются следующим образом:

ми =Ап;Мп=Ап (8)

Пусть все нечетные моменты плана эксперимента и тождественно равны нулю. Тогда ненулевым элементам ненулевых подматриц Л/,",1 и М12 будут соответствовать четные моменты л2,я,,лгг, яш для различных групп параметров. Аналогичные структуры имеют матрицы А,]' и л,2, которым соответствую четные моменты аг, а,, а12, а„, а2и закона распределения параметров.

После проведения необходимых матричных преобразований была получена система уравнений, решение которой позволило получить необходимые и

достаточные условия оптимальности планов вычислительного эксперимента минимизирующих интегральную оценку ошибки аппроксимации. (9) и (10) Эти условия проще, чем достаточные и не предполагают равенства вторых мо ментов (Я2 =а2 ), что существенно упрощает процесс синтеза непрерывных оп

тимальных планов вычислительного эксперимента.

•^22(1,2) — Л(1)°;2

(9) ¿222(1,2) =<*22(,)«2 (Ю) Лг(1,2) = Л(1)а2

Третья глава посвящена построению кусочно-полиномиальных моделей показателей качества процессов.

При оценке качества процессов в судовых АЭЭС, содержащих статиста ческие преобразователи, необходимо учитывать широкий диапазон и измене ния значений расчетных параметров соответствующих схем замещения АЭЭС.

Поэтому возникает необходимость в разработке кусочно полиномиальных моделей АЭЭС, включающих в себя совокупность локальны полиномиальных моделей.

Для решения задачи синтеза планов вычислительного эксперимента, для разработки локальных моделей судовых электроэнергетических систем был использован метод, основанный на аппарате нечетких множеств с учетом условий оптимальной аппроксимации.

Для синтеза непрерывных планов были использованы условия оптимальности полученные во второй главе записанные для удобства в виде:

^12(1,1) = кап .

¿42(1,2) = ^а<(2).

X = ка' (П>

"222(1,2) 22(2) .

где Л - коэффициент пропорциональности.

Кроме того, при синтезе непрерывных планов вычислительного эксперимента необходимо учитывать, что суммарная частота проведения эксперимента во всех точках спектра плана должна быть равна единице (уравнение баланса частот). Так как каждой конфигурации соответствует своя частота, то уравнение баланса частот можно представить в виде:

а,

Л33(1) _

Л,,,, сс,

Я2(1) = На2

4(1> =Ьа4.

где V = О соответствует нулевой точке, т.е. лг0 = 1.

Для расчетов бы использован план вычислительного эксперимента для шести параметров, состоящий из пяти конфигураций.

Таблица 1. План вычислительного эксперимента, состоящий из пяти конфигу-

Конфигурация План Частота Размер конфигурации

Гиперкуб 1 01 £ ах

Звездные точки 1 В21 0

Звездные точки 2 0 Б22 й22

Гиперкуб 2 031 ап

Нулевая точка 0 ао

Исходя из условий (11) и приведенного выше плана, а также с учетом того, что во всей области изменения параметров требования к точности одинаковы, можно записать систему уравнений вида: ' <?, + К1Ч2)а222£г1 = = И а2;

+лг21(2)<£2 =Лч2) =Л«4;; < = Я22(2) = я22(2„ = иа22- (13)

^ хУА + МЙ + =

Требования к точности аппроксимации во всех точках области изменения параметров одинаковы. Такое требование является детерминированным эквивалентом равномерного закона распределения.

Решив систему и подставив величины моментов равномерного закона распределения получим: а, = 0,7745 и а22 = 0,7745. Из уравнения баланса частот (12) следует, что суммарная частота проведения эксперимента во всех точках спектра плана равна единице:

22,1

21,1 31.1 Ъо - 1

(14)

Так как число неизвестных больше числа уравнении, система имеет бесконечное число решений, в результате существует возможность варьировать размеры частот уг1, , V,,, и конфигурации а21 , я31 .

Зависимости комбинационных гармоник напряжения от расчетных параметров АЭЭС, как правило, носят достаточно сложный немонотонный характер. Учет же только канонических гармонических составляющих, как это про-

водилось в АЭЭС со статическими выпрямителями в работах Зубарева Ю.Я., н позволили создать правильного представления о спектре напряжения АЭЭ так как амплитуды отдельных комбинационных гармоник могут превышать а плитуды канонических гармоник. В то же время, как указывалось выше, опр деление только коэффициента искажения кривой напряжения АЭЭС бывает н достаточно потому, что некоторая РЭА наиболее чувствительна к гармонич ским составляющим, соответствующим отдельным полосам спектра.

Поэтому в работе предлагается ввести в рассмотрение дополнительны показатели искажения напряжения - парциальные коэффициенты искажени Каждый из парциальных коэффициентов представляет собой коэффициент и кажения кривой напряжения в определенном диапазоне частот.

Локальные модели коэффициентов искажения представляют собой ко позиции полиномов второго и третьего порядка вида:

'.=Яй„,хг,и.,Лр,мр.сюЧ>ч,) (15)

При этом для интегрального коэффициента члены третьего порядка соо ветствуют параметрам $„р и Vк, а для парциальных коэффициентов - парам рам хр и со$<р„р.

После обработки результатов эксперимента, основанном на обобщенно методе наименьших квадратов (МНК) с учетом частот проведения экспериме та в каждой точке плана, а также полученных размеров конфигураций, бы рассчитаны полиномиальные зависимости для интегрального и парциально коэффициентов.

Четвертая глава посвящена формализации и разработке мультиплик тивно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных пр цессов. Произведен расчет и сравнительная оценка точности полиномиальнь моделей.

Применение кусочно-полиномиальных моделей рассмотренных в пред дущей главе имеет один существенный недостаток - невозможность анали степени влияния отдельных параметров. Поэтому для оценки влияния отдел ных параметров на качество процессов в судовых электроэнергетических си темах предлагается использовать мультипликативно-полиномиальные модели.

Формализована задача определения мультипликативно-полиномиальн модели АЭЭС. Вектор исследуемых параметров х электроэнергетической си темы может быть разбит на отдельные подвекторы:

хт = [£(1)Г ;хт' ;...х(5)Г ;..л<г)Г ]. (16)

В работе рассмотрен случай для шести параметров, которые разбивают на три пары (\у=3) следующим образом:

1) ($„,*,.) 2) (и„лр)3) (мР,совРпр) (17)

В результате мультипликативно-полиномиальную модель можно пре ставить следующим образом:

, где ¿С*15')- полиномиальная или кусочно-полиномиальная зависимость от подвектора параметров.

В тех случаях, когда характер влияния параметров любого подвектора на значения показателей качества процессов в АЭЭС с НПЧ существенно зависит от параметров, являющихся компонентами других подвекторов, использование мультипликативно-полиномиальных моделей вида (18) не всегда обеспечивает высокую точность аппроксимации. Необходимо разбить область изменения исследуемых параметров на подобласти и определить сомножители мультипликативные кусочно-полиномиальной модели АЭЭС с НПЧ. Анализ показал, что при определении полиномиальных моделей коэффициента искажения кривой напряжения следует в первый подвектор включить нормированные значения параметров б,, и хг, во второй подвектор - значения параметров С/, и А.р, а третий включает в себя значения параметров и соб<р„р. В результате вышесказанного, мультипликативно-полиномиальная модель коэффициента искажения АЭЭС с НПЧ может быть представлена следующим образом: Л =ЛгА =з„РХгМ^Р,Хг)А(и*ЛрШмР,со5<р„р) (19) В работах Зубарева Ю.Я указывалось, что если аппроксимируемая модель имеет четвертый порядок, а аппроксимирующая - третий, тогда необходимые условия являются достаточными, в частности, если аппроксимирующая и аппроксимируемая модели есть полиномиальные зависимости порядков =3 и Л2=4 , то все моменты оптимального плана, вплоть до порядка +с12 =7 должны быть равны соответствующим моментам закона распределения исследуемых параметров.

Исходя из вышеуказанных условий оптимальности и состава планов эксперимента построена система уравнений:

ЛГ.а,^, + Ыха\%2 + 2а& + = а2 ЛГ.а,4^ + Л>4£2 + 2 + 2 д44£4 = а4а2 А^, +ЛГа24£2 -а22

Кр^ + + 2 + 2 = а6

(20)

В результате решения системы получены характеристики плана вычислительного эксперимента для равномерного закона распределения (табл.2.).

Таблица 2. Характеристики плана вычислительного эксперимента.

Размеры конфигурации Частота проведения эксперимента

а2 аз а4 6-ю2

1,0 0,633 1,0 0,750 1,24 15,4 5,28 3,07

После обработки результатов эксперимента на основе обобщенного МН с учетом частот проведения эксперимента в каждой конфигурации получен полиномиальные зависимости первого сомножителя для всех видов исследу мых схем НПЧ.

Зависимости коэффициента J' от 5П(,и хг для АЭЭС с шестипульсны трехфазным НПЧ представлены на рисунке 3.

О 0.1 0,18 0,26 0,34 0,42 0,5 0,58 0,66 0,74 0,82 0 9

Рис. 3. Зависимость значений первого сомножителя.

Для определения коэффициентов полиномиальных зависимостей, со ветствующих второму и третьему сомножителям мультипликативн полиномиальной модели, были разработаны специальные планы, минимиз рующие интегральную оценку ошибки аппроксимации.

В силу оптимальности планов и использования равномерного закона р пределения в таблице 3. определены размеры конфигураций.

Таблица 3. Размеры конфигураций

Конфигурации Формула Значение

«о2 1

я,2. - 1

, _ (а, -ап)а]х "¡2 ~ 1 а1"Л ~а11 л/М

Графики зависимости коэффициента J2 (Яр,ик) и JJ(co^¡<pv,|up) для ка дой из схем представлены на рисунках 4-5.

Рис. 4. Зависимость значений второго сомножителя коэффициента искажения напряжения АЭЭС с шестипульсным- трехфазным НПЧ.

Рис. 5. Зависимость значений третьего сомножителя коэффициента искажения напряжения АЭЭС с шестипульсным - трехфазным НПЧ.

Воспользовавшись расчетами для этих моделей, приведенных в предыдущих параграфах, была составлена таблица характеристик эффективности различных видов схем НПЧ.

Таблица 4. Характеристики эффективности различных схем НПЧ,

Коэффициент эффективности мил -

У,6ЯЗ Ф З^ППЪФ 1,214

З^ПЪФ У,6Я6Ф 1,311

J,12П2Ф 3,6П6Ф 1,127

з,\гпъФ У,12Я6Ф 1,45

У,12Я6Ф 1,820

Из таблицы 4 видно, что удвоение числа пульсации или фаз нагрузки среднем практически одинаково уменьшает коэффициент искажения.

Для сравнительной оценки точности вычислительной и полученных п линомиальных моделей был произведен расчет коэффициента искажения пряжения в АЭЭС с трехфазным-шестипульсным непосредственным преоб зователем частоты. Результаты представлены в таблицах 5-6.

Таблица 5. Обобщенные данные по расчетам коэффициентов искажен напряжения в различных схемах НПЧ в соответствии с моделью расчета оценка точности моделей. _ _

Типы моделей Схема преобразователя частоты

Шестипульсная Двенадцати-пульсная

3-фазная 6-фазная 3-фазная 6-фазна!

Вычислительная модель, 3Вшмоде„ 8,813 6,317 6,892 4,761

Кусочно-полиномиальная модель, Jmu 8,887 - - -

Мультипликативно-полиномиальная модель, ./„„„ 8,967 6,263 7,102 4,880

Отклонение по модулю, \зВычмод,ш -Зшм\ 0,074 - - -

Относительное отклонение, I^Выч м<ккт ~ КПП \ ^ Выч модели 0,008 - - -

Отклонение по модулю, УВычмодеш -JИШÍ\ 0,154 0,054 0,21 0,119

Относительное отклонение, В ыч модели ~ ^МПМ \ 0,017 0,009 0,030 0,025

^ В ыч модели

Таблица 6. Обобщенные данные по расчетам коэффициентов искажения напряжения парциальных моделей НПЧ в соответствии с диапазоном частот и оценка точности моделей.

Диапазон частот

Типы моделей 250350Гц 350550Гц

1 2 3

Вычислительная модель, 3,691 3,313

Кусочно-полиномиальная модель, зкт< 3,770 3,266

Отклонение по модулю, 0,079 0,047

Относительное отклонение,

| ^Выч модели ~ ^КПМ \ 0,021 0,014

^ Выч модели

Из приведенных таблиц видно, что отклонение значений коэффициентов, полученных с использованием кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей от значений реальных вычислительных моделей незначительно. Относительная ошибка не превышает 3 %, что говорит о достаточно высокой точности. Как и следовало ожидать, применение более сложных схем преобразования значительно уменьшает коэффициент искажения. Увеличение фазности схемы в 2 раза уменьшает коэффициент искажения примерно в 1,3-1,4 раза.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Сформулирована и теоретически обоснована задача идентификации несинусоидальных электромагнитных процессов в судовых АЭЭС на основе вычислительного эксперимента.

2. Определены в явном виде условия для оптимальной идентификации кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных электромагнитных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

3. Произведен синтез планов для определения кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

4. Определены кусочно-полиномиальные модели, позволяющие рассчитать интегральный и парциальный коэффициенты искажения несинусоидальных процессов при широком диапазоне изменения параметров в указанных диапазонах изменения частот.

5. Получены мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества несинусоидальных электромагнитных процессов в судовых АЭЭС с различными схемами НПЧ, позволяющие определять степень влияния параметров.

6. Произведена сравнительная оценка различных схем НПЧ и оценка то ности кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных м делей несинусоидальных процессов в АЭЭС с НПЧ.

7. Предложен способ выбора различных видов схем НПЧ с определеннь уровнем искажения напряжения для различных видов судовых АЭЭС, пут использования разработанных автором кусочно-полиномиальных и мульти ликативно-полиномиальных моделей. Указанный способ был использован ЗАО "Канонерский судоремонтный завод".

IV. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, предусмотренных "Перечнем изданий ВАК":

1. Румянцев М.А. Идентификация показателей искажения в автономн АЭЭС с НПЧ на основе вычислительного эксперимента./ Г.Н. Козлова, М. Румянцев, Х.А. Доай // Ж. "Автоматизация в промышленности". М: "Солист' 2006.-№10.-с.49-51.

В других изданиях:

2. Румянцев М.А. Проблема обеспечения бесперебойного питан средств вычислительной техники.// "Исследования, разработка и применен высоких технологий в промышленности" Сб. докл. Шестой международн научно-практической конференции- Спб.: СПГУВК, 2008. — с.49-51.

3. Румянцев М.А. Экспериментально-аналитический метод прогнозир вания показателей качества электромагнитных процессов./ М.А. Румянц Г.Н. Румянцева, Е.Г. Барщевский. //" Информационные технологии и систем Управление, экономика, транспорт право" Сборник научных трудов:. СП ООО "Андреевский издательский дом", 2008. - с.З

4. Зубарев, Ю.Я. Синтез симметричных и несимметричных планов в числительного эксперимента, минимизирующих систематическое смещени Ю.Я. Зубарев, М.А. Румянцев //«Информационные технологии и сио мы(управление, экономика, транспорт)» Межвуз. сборник научных труд СПб.: ООО «Андреевский издательский дом», 2005г.-с.60-62.

5. Зубарев, Ю.Я. Активная идентификация судовых технических сист на основе вычислительного эксперимента./ Ю.Я. Зубарев, М.А. Румянцев «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водн путях» Межвуз. сборник научных трудов, СПб.: СПГУВК, 2005г.- Выпуск с.90-94.

6. Зубарев, Ю.Я. Идентификация показателей искажения напряжения в электроэнергетических системах с непосредственным преобразователем частоты на основе кусочно-полиномиальных моделей./ Ю.Я. Зубарев, М.А. Румянцев // «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях» Межвуз. сборник научных трудов, СПб.: СПГУВК, 2005г.- -с.94-96.

7. Зубарев, Ю.Я. Расчет коэффициента искажения напряжения на основе мультипликативно- полиномиальных моделей./ Ю.Я. Зубарев, М.А. Румянцев // «Глобализация» Межвуз. сборник научных статей. СПб.: СПГУВК, 2005. -с.182-185.

Подписано в печать 10.12.2008. Формат 60x84/16. Усл. Печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 60. Заказ 5802.

Отпечатано с готового оригинал - макета, представленного автором.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К КАЧЕСТВУ ПРОЦЕССОВ В СУДОВЫХ АЭЭС.

1.1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ СУДОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ.

1.2 КЛАССИФИКАЦИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИХ СВОЙСТВ.

1.3 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ В СУДОВЫХ АЭЭС.

1.4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КАЧЕСТВУ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ.

ГЛАВА 2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НА ОСНОВЕ ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ.

2.1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В АЭЭС СО СТАТИЧЕСКИМИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.

2.2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В АЭЭС.

2.3 ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.4 КРИТЕРИЙ ОПТИМАЛЬНОСТИ ПЛАНОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

ГЛАВА 3. КУСОЧНО-ПОЛИНОМИАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ.

3.1 ПОСТРОЕНИЕ КУСОЧНО-ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ НА

ОСНОВЕ АППАРАТА НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ.

3.2 СИНТЕЗ МНОГОФАКТОРНЫХ ПЛАНОВ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КУСОЧНО

ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ.

3.3 РАЗРАБОТКА КУСОЧНО-ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ АЭЭС С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ.

ГЛАВА 4. МУЛЬТИПЛИКАТИВНО-ПОЛИНОМИАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ.

4.1 ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОСТРОЕНИЯ МУЛЬТИПЛИКАТИВНО-ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ.

4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВОГО СОМНОЖИТЕЛЯ МУЛЬТИПЛИКАТИВНО-ПОЛИНОМИАЛЬНОЙ МОДЕЛИ.

4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО СОМНОЖИТЕЛЕЙ МУЛЬТИПЛИКАТИВНО-ПОЛИНОМИАЛЬНОЙ МОДЕЛИ.

4.3 СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ НЕПОСРЕДСТВЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ В СУДОВЫХ АЭЭС.

4.5 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИСКАЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ В АЭЭС.

Научно-технический прогресс в области силовой полупроводниковой техники привел к широкому использованию в современных и перспективных автоматизированных судовых электроэнергетических системах (АЭЭС) статических преобразователей, которые обладают существенными технико-экономическими преимуществами перед другими преобразователями электроэнергии.

Совершенствование судовых АЭЭС связано как с появлением новых задач, которые должны решать эти системы, так и с научно-техническим прогрессом в области судовой электротехники и других смежных областях. Поэтому при проектировании АЭЭС перспективных судов возникает ряд принципиально новых проблем обеспечения качества электроэнергии. Необходимо отметить следующие особенности АЭЭС перспективных судов, которые оказывают значительное влияние на процессы исследования и проектирования этих систем: увеличение числа и суммарной мощности статических преобразователей существенно влияет на качество электрической энергии АЭЭС и электромагнитную обстановку на судах; исключение электромашинных преобразователей частоты из систем вторичного электропитания и обеспечение электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) непосредственно от общесудовой сети с частотой 50 Гц требует более тщательного рассмотрения вопросов обеспечения заданного качества электрической энергии; увеличение насыщенности судов радиоэлектронной аппаратурой и рост чувствительности этой аппаратуры к электромагнитным помехам обостряет проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) электрооборудования и РЭА в условиях электромагнитных полей, в частности полей, излучаемых силовыми кабельными линиями. Проблема электромагнитной совместимости должна решаться, прежде всего, выпрямитель проектирования, как отдельных технических устройств, так и их комплексов в масштабе АЭЭС судна.

Особенно часто указанные проблемы возникают при проектировании АЭЭС перспективных судов, предназначенных для освоения мирового океана, где использование мощных статических преобразователей для питания электроприводов технологических комплексов, систем электродвижения и позиционирования требует принятия специальных мер для обеспечения заданного качества электрической энергии.

Питание судовых электронных средств непосредственно от судовой сети через статические преобразователи позволяет существенно улучшить экономические и массогабаритные характеристики систем вторичного электропитания, а также повысить их надежность и коэффициент полезного действия.

Современные электроэнергетические системы содержат большое число статических преобразователей, суммарная мощность которых соизмерима с суммарной мощностью генераторов.

Статические преобразователи по своей природе представляют существенную нелинейную нагрузку, потребляющую от генераторов несинусоидальный ток. Падение напряжения высших гармонических составляющих несинусоидального тока на индуктивных сопротивлениях отдельных элементов АЭЭС, в частности генераторов, трансформаторов и кабельных линий, приводит к искажению формы кривой напряжения и тока, вызывают дополнительный нагрев генераторов, асинхронных двигателей, конденсаторов, а также могут вызвать нарушение нормальной работы отдельных потребителей. Наиболее жесткие требования к качеству электроэнергии предъявляют при питании радиоэлектронных, вычислительных и информационных систем и устройств, которые широко применяют на судах. Согласно Российскому Морскому Регистру Судоходства величина коэффициента нелинейных искажений формы кривой напряжения судовых АЭЭС не должна превышать 10%. Однако в судовых АЭЭС с мощными выпрямителями величина коэффициента искажения в отдельных режимах превышает эту величину. Наличие гармонических составляющих тока в кабельных линиях, как уже говорилось выше, приводит к возникновению электромагнитных полей. Поэтому увеличение мощности статических выпрямителей существенно усложняет решение проблемы электромагнитной совместимости различных видов электрооборудования, а также электрического и радиоэлектронного оборудования.

Для решения проблемы электромагнитной совместимости статистических преобразователей, электрооборудования и АЭЭС возникает необходимость в создании оперативных методов расчета электромагнитных процессов.

Существующие методы расчета показателей качества электромагнитных процессов в судовых АЭЭС со статическими преобразователями основаны на определении отдельных гармонических составляющих напряжения. Поскольку электромагнитные процессы в АЭЭС со статическими выпрямителями достаточно сложны и описываются дифференциальными уравнениями весьма высокого порядка, то аналитические методы расчета гармоник напряжения разрабатываются на основе ряда допущений (неискаженное питающее напряжение, бесконечно большая индуктивность в цепи нагрузки, линейный характер изменения коммутации и т.д.), что в некоторых случаях приводит к значительным ошибкам. Но даже при этом расчетные выражения громоздки, а расчет сложных схем с несколькими статическими выпрямителями с учетом их взаимовлияния оказывается практически невозможным.

Кроме того, в качестве исходных данных существующих аналитических методов кроме параметров схем замещения АЭЭС с преобразователями используют углы управления и коммутации. Указанные углы в свою очередь зависят от параметров схем замещения, величин и характера нагрузки, законов регулирования формы выходного напряжения. В результате для получения значений углов управления и коммутации в расчетном режиме, который соответствует заданному выходному напряжению, расчеты приходится вести итеративно, методом последовательного приближения.

Другой метод расчета показателей качества несинусоидальных электромагнитных процессов основан на решении полных дифференциальных уравнений, описывающих указанные процессы в исследуемой АЭЭС, получении мгновенных значений напряжения и проведении гармонического анализа. Этот метод по точности и универсальности значительно превосходит аналитический. Применение персональных компьютеров (ПК) позволяет принять в качестве исходных расчетных данных известные параметры рассчитываемой АЭЭС со статическими выпрямителями, причем ПК автоматически выполняет все необходимые операции по заданной программе. Однако такой подход приводит к существенному усложнению расчетов, которые также должны производиться итеративными методами.

Для преодоления указанных трудностей возникает необходимость разработки комплекса полиномиальных моделей несинусоидальных процессов в АЭЭС с силовыми статическими преобразователями, работающими в установившихся режимах.

Так как судовые АЭЭС с выпрямителями были подробно рассмотрены в работах Зубарева Ю.Я., ниже будут рассматриваться полиномиальные модели АЭЭС с непосредственными преобразователями частоты (НПЧ), соответствующие следующим эквивалентным расчетным схемам:

- АЭЭС с трехфазным шестипульсным непосредственным преобразователем частоты (НПЧ);

- АЭЭС с шестифазным шестипульсным НПЧ;

- АЭЭС с трехфазным двенадцатипульсным НПЧ;

- АЭЭС с шестифазным двенадцатипульсным НПЧ.

Полученные в работе полиномиальные модели позволяют рассчитать показатели несинусоидальных процессов в АЭЭС, содержащих один или несколько разнотипных или однотипных синхронных генераторов, работающих параллельно на общие шины. К этим шинам могут подключаться асинхронные двигатели, один или несколько статических преобразователей и фильтрокомпенсирующее устройство, представляющее собой последовательно соединенные реакторы и батарею конденсаторов. При определенных допущениях, указанные полиномиальные модели могут использоваться для более сложных схем замещения АЭЭС, в частности, для АЭЭС с межсекционными реакторами.

Актуальность. Одной из важнейших проблем, возникающих при исследовании и проектировании судовых АЭЭС, является проблема повышения качества несинусоидальных электромагнитных процессов, решение указанной проблемы сталкивается с рядом трудностей, связанных, прежде всего со сложностью описания математических моделей несинусоидальных процессов судовых АЭЭС и большим числом противоречивых требований, предъявляемых к ним.

В связи с этим целью исследования диссертационной работы является повышение качества электроэнергии в судовых АЭЭС со статическими преобразователями путем решения задачи идентификации АЭЭС в классе полиномиальных моделей, положенных в основу методик оперативных расчетов показателей качества несинусоидальных процессов.

В соответствии с указанной целью в работе сформулированы, обоснованы и решены следующие задачи:

1. Анализ существующих АЭЭС со статическими преобразователями и формирование требований, применяемых к этим системам.

2. Идентификация показателей искажения напряжения в АЭСС на основе многофакторных полиномиальных моделей.

3. Разработка многофакторных кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей.

4. Разработка методики расчета показателей качества несинусоидальных процессов АЭЭС с НПЧ.

Предмет исследования представляют теоретические основы разработки и практическая реализация моделей показателей качества несинусоидальных процессов АЭЭС со статическими преобразователями, основанных на обработке результатов расчетов в соответствии с непрерывными оптимальными планами вычислительного эксперимента.

Методы исследования. Методической основой и общей формальной базой диссертационного исследования служит теория планирования эксперимента, теория вероятностей и математическая статистика, а также методы математического моделирования АЭЭС. Исследования опираются на материалы ЦНИИ СЭТ, судостроительных научно-исследовательских институтов (НИИ) и конструкторских бюро (КБ), Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, Канонерского судоремонтного завода, специальную математическую и техническую литературу.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в разработке методов построения многофакторных полиномиальных моделей несинусоидальных процессов.

Наиболее значительными результатами, впервые полученными автором, являются:

1. Формализация задачи много факторной идентификации судовых АЭЭС со статическими преобразователями на основе полиномиальных моделей.

2. Определение в явном виде условий для оптимальной идентификации кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

3. Синтез планов для определения кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

4. Определение кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества процессов в АЭЭС с непосредственными преобразователями частоты, положенных в основу оперативных методов расчета.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований доказана целесообразность и эффективность использования кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей для решения конкретных задач, возникающих при проектировании судовых АЭЭС. Разработанные модели и программные средства легли в основу методики позволяющей повысить эффективность расчета показателей качества несинусоидальных процессов судовых АЭЭС.

Реализация работы. Разработанные в диссертации кусочно-полиномиальные и мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС, а также компьютерная система определения показателей качества процессов в АЭЭС с непосредственными преобразователями частоты внедрены в ЗАО "Канонерский судоремонтный завод".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной технической конференции "ТрансКом-2005", "Научно-технической конференции молодых научных сотрудников 2005" СПГУВК, международной конференции "Региональная Информатика - 2006", научною методических конференциях НМК-2004, 05, 06 (СПб, СПГУВК, 2004-2006), кафедральных семинарах "Контроль и диагностика транспортных систем" с 2004-2006, СПГУВК, Шестой международной научно - практической конференции "Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности" 2008 СПГУВК.

Публикации. Основные положения о работе рассмотрены в семи публикациях, в том числе одна из статей опубликована в издании, имеющимся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования РФ.

Основные результаты главы 4:

1. Формализована задача построения мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС с НПЧ.

2. Получены мультипликативно-полиномиальные модели искажения напряжения в судовых АЭЭС с различными схемами НПЧ.

3. Показана зависимость изменения коэффициента искажения напряжения от сложности схемы НПЧ, применяемого в АЭЭС.

4. Произведена сравнительная оценка различных схем НПЧ и оценка точности кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей несинусоидальных процессов АЭЭС с НПЧ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задача повышение качества электроэнергии в различных видах судовых АЭЭС со статическими преобразователями, обусловило необходимость решения задачи идентификации АЭЭС в классе полиномиальных моделей, положенных в основу методик оперативных расчетов показателей качества несинусоидальных процессов.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Сформулирована и теоретически обоснована задача идентификации несинусоидальных электромагнитных процессов в судовых АЭЭС на основе вычислительного эксперимента.

2. Определены в явном виде условия для оптимальной идентификации кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных электромагнитных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

3. Произведен синтез планов для определения кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

4. Определены кусочно-полиномиальные модели, позволяющие рассчитать интегральный и парциальный коэффициенты искажения несинусоидальных процессов при широком диапазоне изменения параметров в указанных диапазонах изменения частот.

5. Получены мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества несинусоидальных электромагнитных процессов судовых АЭЭС с различными схемами непосредственных преобразователей частоты НПЧ, позволяющие определять степень влияния параметров.

6. Произведена сравнительная оценка различных схем НПЧ и оценка точности кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей несинусоидальных процессов в АЭЭС с НПЧ.

7. Предложен способ выбора различных видов схем НПЧ с определенным уровнем искажения напряжения для различных видов судовых АЭЭС, путем использования разработанных автором кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей. Указанный способ был использован в ЗАО "Канонерский судоремонтный завод".

1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий./ Ю.П.Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В.Грановский. М.: Наука, 1976.- 279с.

2. Анисимов Я. Ф. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок / Я. Ф. Анисимов, Е. П. Васильев. Л.: Судостроение, 1990. с. 72-80.

3. Асатурян, В.И. Теория планирования эксперимента./ В.И. Асатурян.

4. М.: Радио и связь, 1983. -247с.

5. Ахиезер, Н.И. Лекции по теории аппроксимации./ Н.И. Ахиезер. — М.: Наука, 1971.-3 06с.

6. Белкин, А. К. Тиристорные преобразователи частоты / А.К.Белкин, Т.П. Костюкова, Л.Э. Рогинская, A.A. Шуляк. М.: Энергоатомиздат, 2000. -263 с.

7. Беляев И.Г. Автоматизация процессов в судовой энергетике. Учебник для вузов/И.Г. Беляев и др. М.: Транспорт, 2000.

8. Берштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока./И.Я.Берштейн-М.: Энергия, 1968.

9. Берштейн А.Я. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе / А.Я. Бернштейн, Ю.М. Гусяцкий, A.B. Кудрявцев, P.C. Сорбатов. М.: Энергия, 1980.

10. Бродский, В.З. Введение в факторное планирование эксперимента/ В.З.Бродский. -М.: Наука, 1976.-225с.

11. Быков Ю.М. Непосредственные преобразователи частоты с автономным источником энергии./ Ю. М. Быков. М.:Энергия, 1977.

12. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей: Учебник для студ. вузов/ Е.С.Вентцель.9-е изд.,стер.- М.: Изд.центр"Академия", 2003.-576 с.

13. Веретенников, Л.П. Вопросы синтеза автономных электроэнергетических систем по условию качества переходного процесса.// Электричество. 1977. - №10. - С.7-12.

14. Веретенников, Л.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы./ Л.П. Веретенников. Л.: "Судостроение", 1975.- 375с.

15. Вознесенский, В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях./ В.А. Вознесенский. М.: Финансы и статистика 1981. - 263с.

16. Воскобович, В. Ю. Преобразовательная техника : Теория и моделирование : Учеб. пособие / В.Ю.Воскобович, В.А.Павлова. СПб. : ТЭТУ, 1997.

17. Вопросы исследования, создания и работы автономных АЭЭС// Сб. НТО им. Акад. А.И.Крылова, 1975.- вып.232.- с. 133

18. Воскобович, В. Ю. Моделирование судовых систем с вентильными преобразователями с использованием пакетов программ Р-САЕ) и Р-Эрюе./ В. Ю. Воскобович // Корабельные системы электрорадиотехники, управления и навигации. —СПб.: Изв. ТЭТУ, Вып.509,1997.

19. Возбудители статические полупроводниковые для трехфазных синхронных двигателей : Общие технические требования. Издание ноябрь 2003г. с Изм. N 1,2,3. - Москва.: Изд-во стандартов, 2003. - 4 с.

20. Воскобович, В.Ю. Электроэнергетические установки и силовая электроника транспортных средств./ В.Ю. Воскобович, Т.Н. Королева, В.А.Павлова (п/ред. Ю.А.Лукомского) //Учебное издание.-СПб.: «Элмор»,2001.

21. Гандин, Б.Д. Электропитание судовой радиоэлектронной радиоаппаратуры без промежуточного преобразования частоты./ Б.Д. Гандин, В.В. Шейнихович. Л.: Судостроение, 1979.- с. 36-39.

22. Гаскаров, Д.В. Сетевые модели распределенных автоматизированных систем./ Д.В. Гаскаров, Е.П. Истомин, О.И. Кутузов. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение. 1998. - 353с.

23. Гилерович, Ю.М. Вопросы проектирования электроэнергетических систем надводных кораблей ВМС НАТО // Судостроение за рубежом. — 1988. №2.

24. Горский, В.Г. Планирование промышленных экспериментов (модели динамики)./ В.Г. Горский, Ю.П. Адлер, A.M. Талалай. М.: Металлургия, 1978.- 246с.

25. Горский, В.Г. Планирование промышленных экспериментов/ В.Г. Горский, Ю.П. Адлер. М.: Металлургия. 1974. - 264с.

26. Гребные электрические установки./ Е.Б.Айзенштадт и др. JL: Судостроение, 1985.- 303с.

27. Грабовецкий, Г. В. Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем : Учеб. пособие / Г.В. Грабовецкий, О.Г. Куклин, С.А. Харитонов. -Новосибирск.: Изд-во НГТУ, 2004. 146с.

28. Гроп, Д. Методы идентификации систем./ Д. Гроп. М.: Мир, 1979. -302с.

29. Гусейнов, Ф.Г. Упрощение электрических систем при расчетах./ Ф.Г. Гусейнов. -М.: Энергия, 1978.-242с.

30. Ермаков, С.М. Об оптимальных несмещенных планах регрессионных экспериментов. // Труды мат. ин-та АН СССР. 1970.- Т. III.- С.252-257.

31. Жежеленко, И.В. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях./ И.В. Жежеленко, M.JI. Рабинович, В.М. Божко. Киев: Техника. 1981. - 166с.

32. Загрядцкий, Владимир Иванович. Трансформаторы и преобразователи частоты / В.И. Загрядцкий, Н.И. Кобыляцкий, В.Г. Шевчик; Кишинев.: Штиинца, 1991. - 146с.

33. Зедгенидзе, И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем./ И.Г. Зедгенидзе. М.: Наука. 1976. - 390с.

34. Зубарев, Ю.Я. Планирование эксперимента в научных исследованиях: учебное пособие. СПб: СПбГУВК, 2004.- 154с.

35. Зубарев, Ю.Я. Расчет коэффициента искажения напряжения на основе мультипликативно- полиномиальных моделей./ Ю.Я. Зубарев, М.А. Румянцев // Межвуз. сборник научных статей «Глобализация», СПб.: СПГУВК, 2005. с. 182-185.

36. Зубарев, Ю.Я. Планирование вычислительного эксперимента в электроэнергетике/ Ю.Я. Зубарев и др.. СПб.: Энергоатомиздат, 2000. - 328с.

37. Зубарев, Ю.Я. Расчет судовых автоматизированных систем методами активного эксперимента./ Ю.Я. Зубарев, А.Д. Собашников, В.А. Юхнович. Л.: Судостроение. 1976. - 95с.

38. Качество электрической энергии на судах/ В.В. Шейнихович и др. Л.: Судостроение, 1988. - 159с.

39. Клеймен, Д. Статистические методы в имитационном моделировании./ Д. Клеймен. М.: Статистика, 1978. - 335с.

40. Кобрин, Г.А. Моделирование трехфазного мостовоно выпрямителя на ЭЦВМ./ Г.А. Кобрин. Ю.И. Пайкин. Труды ЦНИИ СЭТ. вып. 10 Л.: Судостроение, 1974.

41. Ковтун, И.П. Оценка технических средств, обеспечивающих заданное качество электроэнергии в единых энергосистемах./ И.П. Ковтун, Б.Н. Океанов, В.П. Родин. Вопросы судостроения, сер. Судовая Электроника и связь,- Вып.27.- с.42-48.

42. Константинов, Б.А. Качество электроэнергии и электромагнитная совместимость./ Б.А. Константинов М.: Электричество. 1977. - №3. -с.1-8.

43. Корытный, Е.Б. Диалоговые процедуры построения эффективных планов эксперимента./ Е.Б.Корытный, В.М. Стасышин // В кн.: Применение ЭВМ в оптимальном планировании и проектировании.-Новосибирск, НЭТИ, 1981.-с.88-96.

44. Краснов, В.А. Основы теории и расчет электроэнергетических систем./ В.А. Краснов, П.А. Мещанинов, А.П. Мещанинов. Л.: Судостроение, 1989.

45. Красовский, Г.И. Планирование эксперимента./ Г.И. Красовский, Г.Ф. Филаретов. Минск: Изд-во БГУ, 1982. - 302с.

46. Круг, Г.К. Планирование эксперимента в задачах идентификации и экстраполяции./ Г.К. Круг, Ю.А. Сосулин, В.А. Фатуев. М: Наука. 1977.-207с.

47. Кузнецов С.Е. Основы эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации./С.Е. Кузнецов М.: Транспорт, 1991. 230 с.

48. Кузнецов С.Е. Автоматизированные системы управления техническим обслуживанием и ремонтом судовых технических средств. / С.Е. Кузнецов. СПб: изд. ГМА им. адм. С.О.Макарова 2006. -147с.

49. Максимов, И.М. Эксплуатация судовых синхронных генераторов./ И.М. Максимов, A.M. Павлюченков. Изд.2-е. - М.: «Транспорт», 1976.-200с.

50. Математическая теория планирования эксперимента. М.: Наука. 1983 -385с.

51. Математические методы планирования эксперимента. Новосибирск: Наука. 1981.-265с.

52. Михайлов, В.А. Автоматизированные электроэнергетические системы судов./В.А. Михайлов Д.: Судостроение, 1977. - 512с.

53. Михайлов, В.А. Планирование эксперимента в судостроение./ В.А. Михайлов, K.M. Федосов -Д.: Судостроение, 1978.

54. Мозгалевский, A.B. Диагностика судовой автоматики методами планирования эксперимента./ A.B. Мозгалевский, Д.В. Гаскаров. Д.: Судостроение, 1977.- 94с.

55. Моисеев, Н.П. Математические задача системного анализа./ Н.П. Моисеев М.: Наука, 1981.- 457с.

56. Морской Регистр. Правила классификации и постройки морских судов.— Д.: Транспорт, 1996. — 928 с.

57. Налимов, B.B. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов./ В.В. Налимов, И.А. Голикова. М.: Наука, 1985.- 340с.

58. Налимов, В.В. Теория эксперимента./ В.В. Налимов. М.: Наука. 1981. -207с.

59. Ост.5. 6030-72. Системы электроэнергетические судовые. Обозначение основных величин.

60. Ост.5. 6130-78. Судовые электроэнергетические системы. Методы расчетного определения искажения кривой напряжения.

61. Ост.5. 6130-78. Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета несимметрии напряжения в системе с однофазными потребителями.

62. Панов, В.А. Современное состояние и перспективы применения систем электродвижения на судах различного назначения./ В.А. Панов, И.П. Фиясь // В кн.: Опыт создания электроэнергетических систем судов и буровых установок.- JL:Судостроение, 1983.- с.73-78.

63. Перспективы развития судовой электроники / Китаенко Г.И. и др. JL: Судостроение, 1981.

64. Попов, A.A. Построение оптимальных планов измерений при оценивании параметров в моделях в форме систем дифференциальных уравнений /А.А.Попов, В.М.Стасышин/ Применение ЭВМ в оптимальном планировании и проектировании. -Новосибирск. НЭТИ. 1982.- с.47-59

65. Применение методов планирования эксперимента в судовой электроэнергетике // Сб. НТО им. А.И. Крылова , 1975.-вып.224.-с.96

66. Применение методов планирования эксперимента в судовой электроэнергетике //Сб. НТО им. А.И. Крылова , 1976.-вып.235.-с.120.

67. Русин, Ю.С. Электропитание гидроакустической аппаратуры./ Ю.С. Русин. Л.: Судостроение, 1986.- 102с.

68. Сахаров, K.B. Энергетика плавучих буровых установок./ К.В. Сахаров, А.Ф. Кузовов Л.: Судостроение, 1975, №10. с.46-49

69. Сарваров, А. С. Энергосберегающий электропривод на основе НПЧ-АД с программным формированием напряжения / A.C. Сарваров. -Магнитогорск : МГТУ,2001. 206 с.

70. Сарваров, А. С. Асинхронный электропривод на базе НПЧ с программным формированием напряжения / А. С. Сарваров. -Магнитогорск : МГТУ, 2002. 236 с.

71. Седунов, Е.В. Несмещенное планирование и анализ регрессионных экспериментов в конечномерных пространствах функций. Математические проблемы планирования эксперимента./ Е.В. Седунов. Новосибирск: Наука. 1981. С102-140.

72. Седунов, Е.В. Обобщение задачи Бокса-Дрейпера в планировании регрессионных экспериментов.// Заводская лаборатория. 1973. - №3. -С.308-313.

73. Справочник судового электротехника. Т.1. Судовые электроэнергетические системы и устройства/Под ред. Г.И.Китаенко.-2-е изд., перераб. и доп.-Л.:Судостроение,1980.

74. Стасышин, В.М. Комплекс программ линейного регрессионного анализа // В кн.: Оптимальное проектирование, планирование экспериментов и моделирование многофакторных объектов- Новосибирск, НЭТИ,1989.-с.153-158.

75. Таблицы планов эксперимента. М.: Металлургия. 1982. 751с.

76. Терешонков, В.А. Особенности проектирования генераторов переменного тока для судовых установок./ В.А.Терешонков, А.Г. Эйбшиц // Вопр. Судостроения, сер. Судовая электротехника и связь.-1983.- вып. 38.-с.11-21.

77. Токарев, JI.H. Математическое описание, расчет и моделирование физических процессов в судовых электростанциях/ JI.H. Токарев. — Л.: Судостроение, 1980.

78. Туганов, М.С. Судовой бесконтактный электропривод./ М.С. Туганов. -Л.: Судостроение, 1978. 287с.

79. Управление и оптимизация производственно-технологических процессов./ Н.М. Вихров и др. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение. 1995. - 301с.

80. Федоров, В.В. Теория оптимального эксперимента./ В.В. Федоров. М.: Наука. 1971.312с.

81. Фираго, Б.И. Непосредственные преобразователи частоты в электроприводе / Б. И. Фираго Минск : Университетское, 1990. - 254с.

82. Фираго, Б.И. Тиристорные циклоконверторы / Б. И. Фираго и др. — Минск.: Наука и техника, 1973.

83. Чебраков, Ю.В. Системный анализ задачи о выборе наилучшей полиномиальной регрессии./ Ю.В. Чебраков // Изв. Вузов. Приборостроение, 1997.- т. 40.- №1.- с. 16-23.

84. Черевко, А. И. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и электрооборудования в автономныхэлектроэнергетических установках / А.И. Черевко. СПб. : Севмашвтуз, 2005.- 181 с.

85. Шапиро С.В. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. / С. В. Шапиро, Ю. М. Зинин, А. В. Иванов. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

86. Шейнихович, В.В. Качество электрической энергии на судах. Справочник/ В.В .Шейнихович и др.. JL: Судостроение, 1988.

87. Электрические системы. Математические задачи электроэнергетики. Учебник для вузов./ Под ред. Веникова В.А. М: Высш.школа, 1981. -288с.

88. Электрооборудование судов. Учебник для вузов./Под ред. Киреева Ю.Н. СПб.: Элмор/Фонд СЭТ, 1996.

89. Юсупов, P.M. Элементы теории идентификации технических объектов./ P.M. Юсупов М.: Мир, 1974.-13 Ос.

90. Яров, В. М. Полупроводниковые преобразователи частоты для установок индукционного нагрева. / В.М. Яров, В.П. Терехов, А.Н. Ильгачев. Чебоксары : Изд-во Чувашского университета, 2005. - 227 с.

91. Ясаков, Г.С. Вопросы синтеза корабельных электроэнергетических систем по условию качества переходных процессов./ Г.С. Ясаков. Л.: BMOJIA, 1979. - 259с.

92. Ясаков, Г.С. Корабельные электроэнергетические системы./ Г.С. Ясаков. СПб.: BMA, 1998. 596с.