автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности автономных источников резервного электроснабжения объектов животноводства

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАГСТВЕНШП ЛГРОИНШЗНЕРНЫЯ У ЗЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РУДАКОВА Тамара Ивановна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ РЕЗЕРВНОГО ЭЛЗКТРОСЖЕлЕШЯ ОБЪЕКТОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

05,20,02 - Электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск, 1993

Работа выполнена -л Челябинском ордеш Трудового Красного Ьнамеии государственном агроинженернон университете.

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент И.Д.Кабанов;

Официальные оппоненти -

,октор технических наук.

профессор, заведующий кафедрой "Применение электроэнергии в сельском хозяйстве" Азово-Черно-норский институт механизации сельского хозяйства (г.Зерноград) Данилов Владислав Никитич

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой ■"безопасность жизнедеятельности" Челябинский государственный ¡технический университет (г.. Челябинск) Сидоров Александр Иванович

Ведущая организация

Областное объединение Челябинскагропромзнерго (г. Челябинск)

Защита состоится часов на заседании специализированного совета Д 120.-'1б.и2 Челябинского ордена Трудового .Красного Знамени государственного агроинженерного университета*,по .адресу: 45и080, г.. Челябинск, проспект Ленина, 75.

С диссертацией- можно ознакомишься вбиблиотеке университета. Автореферат .разослан

Ученый секретарь специализированного совея»., кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЦ

Экономические и социальные эффекты применения электрической энергии в сельскохозяйственном производстве обуславливают увеличение роста электропотребления и качеств чые изменение з технологиях от применения электрической энергии, не имеющей альтернатив з силу многообразия своих свойств. В 1990 году доля годового потребления электроэнергии сельским хозяйством в рамках СССР достигала 17$ общего потребления по стране. Расширение масштабов электрификации, влияние его на конечные результаты а иногда и на :::пзнеобеспечение объектов, повышает требовали' к ппг.л'-.чостп электроснабжения. Аварийный и плановый недоотнуг . электрической энергии нарушают технологические процессы в .роиз-водственной сфере и функционировании других форм деятельности. Материальные и моральные ущерби столь велики, что они включается в состав основных условий проектирования надежности электроснабжения. Особенно это относится к отрасли яивотповодства с концентрированным производством. Каждое отключение электроснабжения вызывает прямые и косвенные потери продукции п последующее енп-леш'.е продуктивности япвогних. Поэтому для объектов животноводства предусматривается резервирование электроснабжения с помощью автономных источников электрической энергии (АИР).

Потребность сельского хозяйства в АИР составляет десятки тысяч единиц. В связи с переходом на многоукладный характер производства и разукрупнением сельскохозяйственных предприятий возрастает потребность в увеличении числа резервных источников п сиикенип их единичной мощности. Кроме того, валпшм фактором становится универсальность и мобильность автономного источника. Поэтому совершенствование системы проектирования, организации использования и разработка новых конструкций резервшсс источников является одной из актуальных задач электрификации сельского хозяйства.

Решению этих задач посвящена данная диссертационная работа, которая выполнена в соответствии с научно-технической программой 0.CX.7I на 1986...1990 гг. "Осуществить поиск и разработку шео-коэффектив.'п.'х методов и средств рационального использования электроэнергии в сельскохозяйственном псоиаводстве и Сыту сельского населения".

Ц;;лт.п работы является пэв1Г.::п:н:е э.^к-йяности парка АИР для резервирования :.vienr[ сснаб.хения сб-..о::?"п хпиотнзподстнл с

помощью оптимизации состава парка л технического совершенствования конструктивного исполнения генераторов.

Объектом научного ¡-ссло.гог.пнпя являются техшшо-оконокичес-кпе показатели парка МР ;••.:! резервирования электроснабжения объектов животноводства.

Предмет научного кспло.ппь-щт состоит в установлении взаимосвязи тохш:ко-оконо:;.г:есккх показателе;: парка АЮ? от плана резервирования.

На злишту г-шосятся;

- методика онтм-кзации комбинированного парка ЛИР с пслг.-слс-нпем РМ1Т п стационарных электростанции;

- технические керонрияткя но пошгенкэ эачрекппзности олектро-генераторшх установок;

- результаты теоретических 1; экспериментальных исследовании по методике оптимизации автономных источников резервного электроснабжения л реяимам работы электрогекераторшх установок.

Методика исследований включает аналитические и экспериментальные метода. Аналитические - основаны на научном анализе к математическом моделировании. Экспериментальные исследования про-еодлллсь в лаборатории, научном центро ЧШЭСХ л в производственных условиях в соответствш1 с ГОСТ л ОСТ. Обработка л анализ получении дашшх проводились с использованием аппарата математической статистики и ЭВМ.

Научная погнана заключается в следующем:

- обоснована эффективность применения комбинированного парка АИР резервного электроснабжения из стационарных электростанций и электрогенераторних установок с приводом от вала отбора модности тракторов;

- разработана котодкка оптимизации парка А11Р;

- обоснована возможность применения синхронных генераторов с уменьшенным воздух:'-- зазором;

- разработана методика расчета угла коммутации вентилей при работо генератора на ьснтильно-асккхронную нагрузку.

Птактическая ценность состоит в том, что разработанная методика олтз:мизацйк парка АК? и рекомендуемые мероприятия по совершенствования электрогенераторных установок повысят эффективность использования автономных источников и снизят юс дефицит.

Реализация результатов гпботк. Ьдтодлка оптимизации парка

АИР использовано при обосновании плана резервирования объектов яиеотноеодстеп Челябинской области, который передан для внедре-нпя.

Электрогенераторная установка с испол1 заниегл синхронного генератора с уменьшенным воздушник зазором выполнена па базе асинхронной r/.ашпш АЮ5-92-4УЗ и внедрена в совхозе "Ношй мир". Чесменского района Челябинской области.

Результаты исследован;;" об аварийных и плановых перерь" ах в электроснабжении Челябинской области и методика оптимиза' ни парка АКР включены в состав учебного пособия "Резервирова' ле электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с по;.-/ пью автономных источников" к приняты к внедрению в учебный прг <есс з Челябинском агрошкенерном университете.

Апробация. Основные положения работы доложены и одобрены на научно-технической конференции ЧШлЭСХ /г.Челябинск, 1982 - 1993 годы/, КСХИ /г.Кустанай, 1987 г./, на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт электрификации сельского хозяйства на основе НГО в свете решения ХХУП съезда КПСС /г.Москва, 1985 г./.

Публикации. По результатам исследований опубликованы Ю работ, 2 научных отчета, I учебное пособие.

Объем работы состоит из введения, пяти глав, еыеодов и рекомендаций, списка используемой литературы и приложений. Содержание работы изложено па 155 страницах машинописного текста и включает 31 рисунск и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введен.".:; показывается актуальность темы и основные положения, вкносише на защиту.

В первой главе, показан уроЕень надежности электроснабжения сельскохозяйстренного производства, его недостаточность и материальные ущербы, технические характеристики apmœmemx автоног.«-ных резервных источников, существующие методические и нормативные рекомендации по выбору числа, мощности и типа резерышх источников. Сформулированы цель и задачи исследований.

Вопросам!! резервного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей занимались и дродалкая/т зани.лгься bJlvCX, WiHOI, ЫШ, Латш/ИСХ и другие научно-исследовательские институты.

Основные теоретические в практические рекоьецлация по га бору

- А -

автономных резервных электростанций л их технические харак тики опубликовав б работах И.Л.Будзко, ll.b.сбила, М.С.Лов Б .И. Андрианова, А.ЬЛиурадяна, Г.Л.Ьбкпой, Н.Ф.колоснова, Д Быстрицкого, Л .II.Алексеева, Е.Ь.Чоы/.енева, В.Н.Данилова и

Ке реализованными резервам! повисели эффективности i: зования геиераторньк установок остаются:

- оптимизация л^рка автономных источников электроэнер

- приведение в соответствие перегрузочной способности нератора к ДЬС;

- оптимизация величины воздушного зазора генератора.

В диссертационной работе предлагается повысить эффект.

ность All? за счет оптимизации комбинированного парка л за i снижения капитальных затрат на генератор.

С учетом изложенного в ¡сботе определены л сформуллроз основные задачи исследовании:

- разработка методики оптимизации парка АКР с npia/.esiei по ре дв) ш п ¡ х о л е кт р оаг pera т о в;

- обоснование технических мероприятий по повышения э£И тиеностн электрогенераторных установок;

- определение статистических характеристик перерывов i электроснабжении сельскохозяйственных мероприятий.

Вторая глава посвящена разработке методики оптимизации для одиночных объектов и группы из нескольких объектов хивс водстеэ. Методика позволяет определить рациональную стратег тактику комплектования парка AI1P с учетом уровня надежности централизованной деятельности предприятии л дефицита на авт источники.

Целовал функция: Z « 3+ У-mill, "

гдо 3 ~ приведенные затраты на автономий источник

резервирования, руб/год;

У - остаточный ущерб, который несет сельскохозя ствешшк потребитель при перерывах электрос хенкя, руб/год.

jliTi стационарных ДсС

j-a^-Sf^-i-c + —min при fOüXíSf,

^ ~ la,.r+c ■+•<//> ~~ nín при 6sax*38o

- o n

Для резервных источник, об РШТ

а х-ёх+и "Р ТМ в Я + )-*-7п1п при <0 *х ±2$,

3 } * " 1 -6.7Л- '

а,х- &х\ и'Р.Ые"^. I при гг*х*т,

аз:- шу^ч при 200*х*Ш,

до " а6 / ¡ - о ~ коэффициенты, зависящие от исполнения

и мощности резервного источника, • н руб/кВт.ч;

1} - удельные ущерби для лшвотноводческих ферм, руб/кВт.ч;

• Р„ - мощность потребителей, кВт;

Ъ - время отключения электроснабжения, час;

V - количество отключений в год.

Алгоритм решения задачи оптимизации комбинированного парка :Втономшх источников резервирования приведен на рис.1.

В третьей главе изложена статистика аварийных и плановых включений электроснабжения, определены статистические показате-:и аварийных и плановых отключений для сельскохозяйственных по-ребителей Челябинской области. Установлено, что плотность Ееро-тности аварийных отключений подчиняются показательному /экспо-енциальнсыу/ закону распределена.

р- д ё ММ

да математическое окодание продолжительности отклю-

чения.

Исследованы варианты планов резервирования электроснабжения ! помощью автономных источников и даны рекомендации. Итоговые указатели для Челябинской области следупцие:

ВАРИАНТЫ

I стад, Ш-стад. !Ш-стац. !1У-передв. ДЗС но РУШДЭС реко-!РШГ реко-!РИПТ реко-! мендуеше! мендуеше ! мендуеше

Количество АИР, шт. 1108 707 920 314

Суммарная мощность, кВт 51500 55000 71000 30700

Капитальные затрата, млн.руб. 12,8 10 3,4 1,3

Ущерб без резервирования, млн.руб/год 2,39 2,39 2,39 2,39

■Остаточный ущерб с резервированием, шш.ру б/год 0,17 0,14 0,12 0,9

Эффективность, млл.руб/год 0,39 0,82 1,78 1.3

Потери продукции без резервирования, т/год

молока 3230 3230 3230 3230

мяса КРС 274 274 274 274

мяса свиней 58 58 58 58

Экономия продукции, т/год

молока 3000 3040 3068 2014

мяса КРС 254 258 260 171

мяса свиней 54,0 54,6 55 36

Показатели в денеккоы выражении относятся к уровни цен до 1991 г.

В четвертой главе рассмотрены технические мероприятия по повышли» эффективности злектрогенераторних установок для резервирования электроснабжения объектов животноводства. Обоснована ьозьокность н целесообразность уменьшения воздушного зазора п'угу статором н ротором синхронного генератора с целью сшшлпш его массогабаритгшх показателей и стоимости.

Определено влияние величшш воздушного зазора на реактивнее сопротивления генератор (рис.2) и проверена возможность укемчешт от их параметров по крьч-оршш статлческоК п «таив-

ческой устойчивости нагрузки.

Показано, что ш.продолжительная работа ЛИР увеличивает срок службы изоляции (рис.3). С учетом этого фактора имеется возможность повысить электромагнитные нагр,,л:и генератора я, следовательно, уметапить расход активных материалов.,

Исследована работа генератора на смешанную вентильно-аспнхронную нагрузку, разработана методика расчета угла коммутации вентилей с учетом влияния асинхронно!! нагрузки. Расчетная Формула для угла коммутации:

г и хэ

соs<x - cos

c^w] =-

.

где & - угол регулирования; ,)' - угол коммутации; Jj - выпрямленный ток; ' Xj - оквивалентноо сопротивление; £э - эквивалентная ЗДС.

-I £"э определяют по эквивалентной схеме, .приведенной па рис.4. Зависимость угла коммутации от соотношения вентильной и асинхронной нагрузок представлена па рис.¡5.

В пятой главе определены технико-экономические показатели планов резервирования объектов животноводства Челябинской области и сравнительные показатели генератора с уменьшенным воздушным зазором и серийного.

ВЫВОДИ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Действущие нормативные материалы и методичесзше рекомендации по обеспечению поденного электроснабзешщ сельскохозяйственных потребителей с помощыэ АИР не является достаточными и эффективными. В условиях слабой экономики предприятий л острого дефицита ЛИР необходима более гибкая стратегия форшро-вания комбинированного парка АИР из стационарных л передвютшх электростанций, в том числе электрогеиераторных установок с приводом от ВОМ тракторов.

2. Предложенная методика оптимизация АИР позволяет:

- выбрать рациональные варианты резервирования, наметить стратегию я тактику повышения надежности электроснабаения объектов животноводства с помощью АИР с учетом экономических и технических ресурсов;

- с поморю ЭЕМ оптимизировать резервирование одиночного объекта и нескольких объектов с помощью стационарных ДОС, резервных источников Р1ШТ и комбинированного парка АИР из стадионарних ДХ л РИПТ;

- представить нелинейную задачу решения в виде линейной путем кусочно-линейной аппроксимации нелинейной-функции затрат от единичной мощности источников ЛИР.

3. Обработка с.атпстическлх данных на 3131,1 подтвердила гипотезу о показательном (экспоненциальном) законе для плотности распределения и вероятности аварийных отключении. Статистические параметры аварийных и плановых отключений объектов животноводства для Челябинской области равны: значения математического ожидания для аварийных перерывов составляют от 2 до <¡,5 ч при среднем душ области 3,06 ч; значения математического ожидания для плановых перерывов изменяются от 2,2 до 7,25 ч при среднем по области 3,93 ч; на каждый объект животноводства приходится 1,67 аварийных отключений и 4,5 плановых с общим расчетным значением ущербного времени от перерывов в электроснабжении 16 ч

на каждый объект в год.

4. ^циничную мощность АИР целесообразно увеличивать примерно в 1,6 раза по сравнению с рекомендациями РУ1.1, что обеспечит: соответствие мощности источника и наибольшей мощности потребителя в условиях применения передвижных ЛИР на нескольких объектах; повышение экономической эффективности парка АИР; повышение устойчивости и качества электрической энергии ЛИР в условиях соизмеримой мощности источника и нагрузки; повышение эффективности парка АИР в экстремальных ситуациях, обусловленных нарушением централизованного электроснабжения п других энергетических объектов.

5. Синхронный генератор для АИР целесообразно выполнять с уменьшенным вэздупним зазором между статором и ротором с целью снижения массо-габаритных к стоимостных показателей.

6. Расчеты и опытная проверка подтверждают возможность повышения эффективности использования парка ЛИР с помощью организационно-технических мероприятий, а именно: путем обоснования рациональной стратегии к тактики развития парка ЛИР, содержанием которых являются этапы развития, состаЕ, размещение и организация использования ЛИР; путем технического совершенство-

вашш генераторов с целью снижения их массо-габаритных и стоимостных показателей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рудакова Т.Н. Резервирование электроснабжения сельскохозяйственных объектов с помощью мобильных энергетических средств// Тезисы доклада Всесоюзного научно-технического семинара "Опыт электрификации сельского хозяйства на основе ускорения научно-технического прогресса в свете решений ХХУП съезда КПСС".

2. Кабанов И.Д., Рудакова Т.Н. Расширение функционадышх свойств мобильного электрифицированного энергетического средства (статья)// Электрификация мобилышх сельскохозяйственных агрегатов. -Челябинск, ISGS.c. 7-II.

3. Кабанов И.Д., Рудакова Т.Н. Оптимизация использования автономных источников электроснабжения с применением мобильных электроагрегатов// Электрификация мобилышх сельскохозяйственных агрегатов. - Челябинск, 1987. с. 15-19.

4. Кабанов И.Д., Медведев Е.И., Рудакова Т.Н. и др. Разработка дизель-генератора с повышенной частотой вращения и тока для мобилышх сельскохозяйственных агрегатов. Отчет по НИР,

Га Г.Р. 0I86002232I, инв.5 02B80072G64. Челябинск, 1988.

5. Кабанов И.Д., Рудакова Т.Н. Обоснование величины главного индуктивного сопротивления генератора для мобильных дизельных электроагрегатов// Электрификация мобилышх сельскохозяйственных агрегатов - Челябинск, 1989. с. 8-II.

6. Кабанов И.Д., Рудакова Т.Н. Повышение эффективности мобильных электрогенераторных установок для резервирования электроснабжения объектов животноводства// Электрификация мобилышх сельскохозяйственных агрегатов. - Челябинск, 1989. с. 16-21.

7. Рудакова Т.И., Кабанов И.Д. Методика оптимизации парка резервных электростанций в сельскохозяйственном производстве//-Тезисы докладов ХУЛ научно-производственной конференции "Проблемы повышения эффективности использования потенциала сельского хозяйства" - Кустанай, 198У. с. 19-23.

8. Кабанов И.Д., Рудакова Т.Н. Влияние асинхронной нагрузки на угол коммутации выпрямителей при питании от генератора ограниченной мощности// Техника в сельском хозяйстве, 1990, JS I.

9. Кабанов И.Д., Рудакова Т.П. Совершенствование параметров дизельного генератора для шбилышх электрогенераторов// Электрификация мобильник сельскохозяйственных агрегатов - Челябинск, 1550. с. 17-21.

10. Кабанов И.Д., Рудакова Т.П. Резервирование электроснабжения автоноишх источников// Достижения пауки л техники ЛПК, 1991, а I. с. 7-8.

11. Кабанов И.Д., Рудакова Т.П., Савельев Г.С. Отбор мощности от колес-двикителей автомобиля к трактора//' Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1991, 10. с. II.

12. Кабанов И.Д., Рудакова Т.П. Совершенствование генераторов автономных источников резервного электроснабжения// Техника в сельском хозяйстве. - 1992, & I. с. 10-11.,

13. Кабанов И.Д., Рудакова Т.Н. Резервирование электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с помощью автономных источников. - Челябинск, 1992. Учебное пособие.

-13©

Рис..I , Блок-схема решения задачи оптимизации парна ЛИР

Рис. 2 . Относительное изменение иидуктпзнкх сопротивлений в зависимости от воздушного зазора: явнонолюсного генератора; 2-х^х исагног.слпшкп'о генератора;3- X нвнополю-сного гьпе;.а1сра; -'/-з^ ; S- х^/х^ Хк гсиерьтсрсг с успокоительной осиотко\\\6,7-йСк

яшоьеллиних н иччвнополясних Г1П1С[-атсро1-ьез ;С1!1.'и:;','1 :;:ьиси оОкотки.

V, % . 100

со

ш

<50

20

О 2 4 6 8 10 ,-1--1

10 20

Рис. 3 . Использование ресурса срока служби 1 изоляции v б зависимости от продолжительности работы £ .

I/

с

Рис. 4 . Схема преобразования источника и асинхронной нагрузки к одному эквивалентному источнику.

ж. фад.

л«' ¿>е

о 0;л 0,4 О,С 0 ;8 1,и

Рис. 5 . Зависимость ¿гла коммутации от соотнесения вентильно;! ( /ч^ ) и асинхронной ( К~ <" ¿о ) нагру ас к: 1,2,0- при коммутационном индуктивном сопротивление генератора, равном 0,1(5 о.о., 0,30 и 0,'12 с.с.

- - гентпльнан нагрузка; --- - смеиан-

ния тентп^ик-ш пихриыай подписано л: печати 06. ОЗ. 93 форпа/п 60*90. Тарах 100 зкз. За паз 269 чгау .