автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования электроустановок в сельском хозяйстве

Актуальность проблемы. Эффективность сельскохозяйственного производства напрямую связана с эффективностью функционирования электроустановок. Современные электроустановки эксплуатируются в условиях низкого качества электроэнергии, недостаточной надежности электроснабжения, отсутствия или некачественной работы электротехнических служб. Изменилась также структура сельскохозяйственных электропотребителей. Так, в Ростовской области сельскохозяйственным производством занимаются 1863 крупных коллективных предприятия, 17,4 тысячи фермерских и 532 тысячи личных подсобных хозяйств. В то же время, прогнозирование и обеспечение надежной работы электроустановок - достаточно сложная задача, поскольку процесс их функционирования протекает в условиях действия стохастических возмущающих факторов (климатические условия, состав агрегатов, участвующих в работе, и т.д.), что требует серьезных теоретических исследований по моделированию статических и динамических режимов.

В связи с этим возникает научная проблема повышения эффективности сельскохояйственного производства путем обоснования новых методов и средств повышения эффективности функционирования электроустановок и систем энергообеспечения.

Основываясь на исследованиях Голована А.Т., Гейлера Л.Б., Костен-ко М.П., Сыромятникова И.А., Супруна Г.Ф., Артоболевского И.И., Ильинского Д.Я., Будзко И.А., Гессена В.Ю., Назарова Г.И., Сазонова H.A., Андрианова В.Н., Славина P.M., Левина М.С., Мусина A.M., Сырых Н.Н, Стребко-ва Д.С., Бородина И.Ф., Лещинской Т.Б. и других ученых, в нашей работе сформулирована научная концепция - выявление закономерностей функционирования электроустановок в изменившихся производственно-экономических и социальных условиях и создание на этой основе систем электроустановок и методов оптимального их проектирования и эксплуатации, обеспечивающих эффективное использование энергоресурсов.

Работа выполнена в Азово-Черноморской государственной агроинженер-ной академии в рамках Научно-технической программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 1996-2000 годы в соответствии с научной проблемой 12 « Разработать научные основы развития системы технолого-технического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики».

Цель работы: создание теоретических положений, методов и средств обеспечения эффективного функционирования электроустановок в сельскохозяйственном производстве за счет их правильного комплектования, новых технических решений и рациональной эксплуатации.

Объект исследования: система, обеспечивающая изучение электроустановок в сельскохозяйственном производстве и условий повышения эффективности их функционирования.

Предмет исследования: подсистемы, входящие в систему по изучению электроустановок и условий повышения эффективности их функционирования: природно-производственная, проектирования, электроснабжения и эксплуатации.

Методология исследований: при решении поставленных научных задач использовались принципы системного подхода, основные законы электротехники, теоретической механики, методы математического моделирования, методы теории вероятностей и математической статистики, исследования систем автоматического регулирования, вариационного исчисления, исчисления предикатов, теория выбора решений, экспериментальные исследования.

Научная новизна работы заключается в разработке методологических принципов и методов комплексного решения задач повышения эффективности сельскохозяйственных электроустановок и включает:

- методический подход оптимизационного синтеза структур электроустановок;

- теоретические положения определения технико-экономических показателей электроустановок;

- новые технические средства повышения эффективности функционирования электроустановок;

- метод определения оптимальных параметров электрической сети с учетом взаимодействия динамических систем нагрузок с источниками энергии;

- новые теоретические и экспериментальные результаты исследований асинхронного электропривода в режиме динамического торможения.

Научные положения, выносимые на защиту:

- морфологический метод направленной композиции структур;

- математические положения для оценки характеристик электроустановок в условиях действия детерминированных и стохастических возмущающих факторов;

- методика расчета динамических режимов асинхронного электропривода в условиях соизмеримости мощности в системе «сеть - узел нагрузки»;

- математические модели асинхронного электропривода в режиме динамического торможения;

- оптимальные параметры ветроэлектрических станций.

Практическая ценность полученных результатов обусловлена возможностью:

- повысить качество проектных разработок за счет выбора оптимального варианта электроустановок сельскохозяйственных объектов на основе предложенного подхода;

- объективно сопоставить эксплуатационно-технические характеристики отечественных и зарубежных образцов электротехнического оборудования;

- научно обоснованно выбирать ветроэлектрические станции с учетом климатических и других условий региона использования;

- обосновать рациональные параметры элементов электроприводов, обеспечивающие устойчивые режимы работы и необходимые, исходя из технологических требований, пределы регулирования скорости механизмов и агрегатов;

- определять параметры питающей сети с учетом взаимодействия динамических систем нагрузок с источниками питания в условиях соизмеримости мощности;

- использовать новые технические решения, позволяющие эффективно эксплуатировать электроустановки сельскохозяйственных предприятий

- сократить энергозатраты в энергоемких процессах на 7-10 %.

Апробация. Основные результаты исследований докладывались, обсуждены и одобрены:

- на научных конференциях профессорско-преподавательского состава АЧГАА (Зерноград, 1979.2000 гг.), МГАУ (1982.1985, 1988 гг.), ЧГАУ (Челябинск, 1989, 2000 гг.), СГСА (Ставрополь, 1997.2000 гг.), КГАУ (Краснодар, 1992 г.);

- на Всероссийской научно-технической конференции по проблемам комплексной механизации и автоматизации кормопроизводства (Киев, 1982 г.);

- на Всесоюзной научно-технический конференции «Повышение эффективности использования электропривода в сельскохозяйственном производстве» (Челябинск, 1989 г.);

- на 1 -й межвузовской конференции по многоскоростному и электронизи-рованному электроприводу в сельском хозяйстве (Зерноград, 1990 г.);

- на научных конференциях ВНИПТИМЭСХ (Зерноград, 1982, 19962000 гг.);

- на 1-й Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, 2001 г.);

- на Всероссийском семинаре заведующих кафедрами и ведущих специалистов по эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве (Зерноград, 2000 г.);

- на международной научно-технической конференции «Земледельческая механика на рубеже столетий» (Мелитополь, 2001 г.);

- на 4-й международной конференеренции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов (Клязьма, 2001 г.);

- на выездном заседании бюро Отделения механизации, электрификации и автоматизации Россельхозакадемии (Москва, 2001 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по данной теме опубликованы в работах автора, список которых прилагается к докладу, включая: монографии -2; учебники - 1; учебные пособия - 12; авторские свидетельства — 7; а также научные статьи в центральных отечественных и зарубежных изданиях. Общий объем опубликованных лично автором работ по теме диссертации составляет 73 печатных листа.

Реализация результатов исследований. Материалы исследований использованы ВНИПТИМЭСХ при:

- разработке «Рекомендаций по обоснованию рациональной структуры электропитающих установок сельскохозяйственных объектов»;

- разработке математических моделей оптимальных автономных систем электроснабжения;

- проектировании комбикормовых предприятий производительностью 2. 10 т/ч мощностью 250. .300 кВт, внедренных в различных регионах Российской Федерации;

- выполнении проекта ступенчатого пуска электродвигателей оросительных насосных станций дождевальных машин серии ЭДМФ «Кубань-М».

Полученные результаты исследований позволили сформулировать зональные агрозоотехнические требования «Автономная система электроснабжения фермерских хозяйств Ростовской области на основе использования энергии ветра», утвержденные Минсельхозпродом Ростовской области.

Проведенные на Северо-Кавказской машиноиспытательной станции испытания плавнорегулируемого асинхронного короткозамкнутого электропривода подачи рабочего органа траншейного выгрузчика на основе схем динамического торможения подтвердили их высокие регулировочные характеристики и позволили внедрить результаты данных исследований на траншейном выгрузчике ПТС-30 в АООЗТ «Учхоз Зерновое».

Результаты исследований использованы для динамического торможения в приводе обкаточного стенда двигателей внутреннего сгорания на Федеральном государственном унитарном предприятии ФГУСП «Батайское» СКВО.

В ряде предприятий Ростовской области внедрены проекты электротехнических служб с прогрессивными формами организации эксплуатации электрооборудования. В АООЗТ «СКВО» Зерноградского района используются преобразователи однофазного напряжения в трехфазное и устройства защиты от неполнофазных режимов, обеспечивающие непрерывность технологических процессов.

Результаты исследований вошли в учебник по эксплуатации энергооборудования ¡V, монографию /2,3/ и учебные пособия /4,5,7 и др./ для высших учебных заведений, используемые в учебном процессе агроинженерных факультетов вузов Минсельхоза России.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Среди различных систем, обеспечивающих эффективное функционирование предприятий агропромышленного комплекса, важное место принадлежит системам энергообеспечения. Концептуальные положения электроэнергетики села на 2001-2005 гг. сформулированы в программе РАСХН по проблеме 12. Механизация, электрификация и автоматизация как развитие научного направления «Механика и процессы агроинженерных систем» путем создания техники и энергетики нового поколения и формирования эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса.

Необходимое увеличение сельскохозяйственной продукции для обеспечения продовольственной безопасности страны требует дополнительных энерго ресурсов. Вместе с тем, производство сельскохозяйственной продукции носи энергозагратный характер, ее энергоемкость в 2 - 3 раза выше, чем в развиты странах. При опережающем росте цен на энергоресурсы доля энергозатрат в се бестоимости сельхозпродукции по сравнению с 1990 г. значительно возросл (по отдельным видам - в 2 и более раз). Основополагающей проблемой являет ся энергосбережение, под которым по определению И.Ф.Бородина, понимаете устранение непроизводственных потерь, обусловленных неоптимальным получением, преобразованием, передачей и использованием электрической энергии.

Главным принципом построения систем электроснабжения сельскохозяйственных предприятий на нынешнем этапе является использование систем централизованного электроснабжения (СЦЭ) в качестве основного источника питания, дизельных, бензиновых электростанций и химических источников тока в качестве резервных источников энергии.

Среди характерных недостатков существующих систем электроснабжения необходимо отметить следующие:

- невысокую надежность сетей систем централизованного электроснабжения;

- большой физический износ сетей (до 50%);

- низкое качество электроэнергии при питании от СЦЭ (отклонения напряжения увеличились до 25%);

- неравномерная загрузка электрических сетей в течение суток и сезонов, большие потери электроэнергии (потери энергии возросли с 10% до 35%);

- сложности в развертывании и эксплуатации передвижных дизельных электростанций, при этом качество электроэнергии в динамических режимах при использовании такого источника может быть еще хуже, чем при питании от СЦЭ. Возможности применения химических источников тока ограничены потребляемой мощностью и временем эксплуатации.

Отмеченные недостатки существующих систем электроснабжения обостряются на фоне быстрорастущих требований со стороны сельских потребителей электроэнергии.

Указанные недостатки проявляются в разной степени для различных систем электроснабжения и могут быть устранены путем обоснования на стадии эскизного проектирования, когда синтезируется система.

Несмотря на наличие различных теоретических подходов к синтезу сложных технических систем, реальный процесс проектирования систем электроснабжения в настоящее время во многом определяется опытом конструктора, его интуицией и творческими задатками. Вместе с тем, известно, что формализация творческой деятельности позволяет существенно сократить время на разработку систем, облегчить труд проектировщика, повысить качество электроустановок. В первую очередь задача внедрения автоматизированных методов должна быть решена на начальных этапах проектирования при выборе будущего облика системы и определении варианта, подлежащего дальнейшей разработке.

Методы оптимального проектирования широко и плодотворно используются при параметрическом и структурном синтезе вычислительных систем, элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, машин и механизмов в машиностроении, систем автоматического управления. Вопросы синтеза систем автономного электроснабжения (САЭ) народнохозяйственных объектов рассмотрены в работах Лазарева И.А., Супруна Г.Ф. и др. Применительно к системам электроснабжения эта проблема рассматривалась в трудах ученых школы Стребкова Д.С. Однако в целом эти работы еще не завершены.

Одной из основных особенностей исследования САЭ на начальных этапах создания является то обстоятельство, что на первый план выдвигаются задачи структурного синтеза. В то же время, эти задачи относятся к наиболее трудно формализуемым, в силу чего они до последнего времени решались на эвристической основе.

При проведении прикладных исследований на этапе эскизного проектирования САЭ затруднение вызывает неопределенность относительно структуры системы и характеристик отдельных электротехнических агрегатов. Кроме того, возникает необходимость в учете стохастического характера возмущающих факторов, действующих на систему в процессе эксплуатации, что приводит к достаточно сложным динамическим моделям при оценке выходных координат, описываемых дифференциальными уравнениями высокого порядка.

В сложившейся ситуации традиционный подход к синтезу сложных технических систем, предусматривающий исследование на первом этапе процесса функционирования системы, с последующей проверкой ограничений на показатели качества и структуру, не эффективен. В связи с этим, требуется разработка метода, предусматривающего составление развернутой функциональной модели на заключительных этапах оптимизационного синтеза, когда из рассмотрения будет исключен ряд электротехнических агрегатов, не удовлетворяющих требованиям технического задания (ТЗ) и условиям совместной применимости, а также решены вопросы повышения эффективности до заданного уровня для некоторых показателей (надежности, качества электроэнергии и др.).

Традиционные подходы к синтезу структуры обычно предполагают формирование списка и полный перебор всех возможных альтернативных вариантов с последующей отбраковкой непригодных структур. На указанном подходе базируются получившие широкое распространение в практике машиностроения методы поиска таблиц решений, разработанные Артоболевским И.И., Ильинским Д.Я., Горанским Г.К. Однако при большом количестве альтернативных вариантов применения электротехнических агрегатов трудоемкость решения поставленной задачи становится весьма значительной.

Отмеченные недостатки указывают на необходимость изыскания нового формализованного метода структурного синтеза.

7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Основываясь на объективно существующих закономерностях функционирования электроустановок - изменившиеся производственно-экономические и социальные условия, высокий физический износ электрических сетей, низкое качество электроэнергии и высокая аварийность электрооборудования, недостатки при проектировании и эксплуатации - в диссертации получила обобщение и решение крупная научная проблема по разработке теоретических положений, методов и средств повышения эффективности функционирования сельскохозяйственных электроустановок. Данная научная проблема охватывает ряд направлений, успешное разрешение которых позволяет:

- повысить качество проектных разработок за счет выбора оптимального варианта электроустановок сельскохозяйственных объектов;

- объективно сопоставить эксплуатационно-технические характеристики отечественных и зарубежных образцов электротехнического оборудования;

- обосновано выбирать ветроэлектрические станции с учетом климатических и других условий региона использования;

- обосновать рациональные параметры элементов электроприводов, обеспечивающие устойчивые режимы работы, и необходимые, исходя из технологических требований, пределы регулирования скорости механизмов и агрегатов;

- определять параметры питающей сети с учетом взаимодействия динамических систем нагрузок с источниками питания в условиях соизмеримости мощности;

- использовать новые технические решения, позволяющие эффективно эксплуатировать электроустановки сельскохозяйственных предприятий.

2. В рамках научного направления вышеуказанной проблемы сформулирована общая задача оптимизационного синтеза применительно к начальным этапам проектирования электроустановок как задача многоэтапного дискретного поиска предпочтительного варианта структурной схемы в многомерном пространстве кортежей электротехнических агрегатов на основе обобщенного показателя качества.

Разработан метод синтеза структур, базирующийся на представлении электроустановки как совокупности электротехнических агрегатов и моделировании основных правил проектирования. Применение в качестве математической основы теории исчисления предикатов позволило представить метод в виде теоретических положений со стандартной формализацией, что способствует сокращению расчетных процедур и повышению надежности получения результата.

3. Сформулировано важное для сбора информации при синтезе структур на этапах эскизного и последующего проектирования правило приведения случайных величин. На его основе разработана методика обработки экспериментальных и статистических данных, реализованная в настоящих исследованиях. При этом трудозатраты для получения исходных данных многократно сокращаются. Правило приведения является универсальным и не зависит от вида и числа случайных величин. Область его применения не ограничивается только энергетикой.

Обоснована система частных показателей качества, необходимая для проведения технико-экономической оценки вариантов электроустановок. Разработана методика расчета таких показателей, в основу которой положено использование аналитических зависимостей при определении массо-объемных показателей и стоимости, марковских случайных процессов при исследовании надежности, вероятностно-статистических моделей при оценке показателей качества электроэнергии.

4. При решении задачи поиска оптимального варианта электроустановки развит подход, предусматривающий создание результирующей целевой функции качества на многокритериальной основе в виде свертки выходных характеристик. Проведенные количественные расчеты автономного электроснабжения фермерских хозяйств на основе ветроэлектрических станций по указанной методике позволили рекомендовать результаты исследований в проектную практику.

В частности, выявлено оптимальное по стоимости сочетание параметров ветроэнергетической установки и емкости аккумуляторов, входящих в систему автономного электроснабжения (САЭ). Установлено, что параметры зависят от климатических условий региона и для Ростовской области (при средней мощности нагрузки 1,5 кВт) составляют: рабочая скорость ветра -6 м/с, мощность ветроустановки - 3 кВт, емкость аккумуляторной батареи -750 А-ч.

Исследование параметров САЭ показало их высокую адаптированность к изменению экономических условий. Это позволило сформулировать агрозоотехнические требования к САЭ, использующим энергию ветра.

5. Исследованиями взаимодействия динамических систем нагрузок с источниками питания в условиях соизмеримости мощности определено влияние снижения подводимого к асинхронному двигателю напряжения при пуске на рост потребляемой энергии, ее потерь в обмотках и увеличение длительности разгона электропривода. Доказано, что при определении возможности пуска необходимо учитывать влияние инерционных масс на нагрев двигателя и влияние пусковых перегрузок на износ изоляции трансформатора Установлено, что если пуск происходит при минимально допустимом напряжении не чаще трех раз в сутки, то по условию допустимого износа изоляции трансформатора с номинальной нагрузкой коэффициент соизмеримости мощностей не может превышать 40%. С ростом частоты пусков величина коэффициента соизмеримости мощностей двигателя и трансформатора уменьшается. Определены оптимизационные условия получения максимального коэффициента соизмеримости мощностей в системе сеть - электропривод, позволяющие выбрать наиболее эффективный способ пуска.

6. Для повышения технико-экономических показателей системы сеть - электропривод насосных станций предложен способ пуска электродвигателя с использованием полюсопереключаемых обмоток и разработаны их рациональные схемы, с использованием габарита двигателей до 100%. Сравнением способов пуска установлено, что ступенчатый пуск асинхронных двигателей переключением полюсов обеспечивает наиболее высокие технико-экономические показатели системы сеть - электропривод оросительных насосных станций. Применение пуска переключением полюсов от сети соизмеримой мощности позволяет уменьшить потери энергии в обмотках ротора в 5.8 раз по сравнению с пуском переключением со звезды на треугольник и в 2.3 раза по сравнению с прямым пуском. При этом увеличивается значение коэффициента соизмеримости мощностей двигателя и трансформатора с 0,4 до 1,0.

7. Для расширения области применения и повышения эффективности асинхронных короткозамкнутых электроприводов разработан способ их совершенствования на основе режима динамического торможения и обратной связи по скорости, позволяющий плавно регулировать скорость механизмов и машин с гравитационным перемещением рабочих органов, подъемных механизмов грузоподъемных кранов и установок, а также заменить достаточно сложные, с эксплуатационной точки зрения, асинхронные электродвигатели с фазным ротором на коротко-замкнутые электродвигатели в обкаточных стендах двигателей внутреннего сгорания. Методами компьютерного моделирования и расчета на основе построенных математических моделей определены рациональные параметры, условия функционирования и регулировочные возможности электроприводов.

С учетом технологических особенностей сельскохозяйственных механизмов на основе отдельных положений теории электропривода и теоретической механики разработана методика и определены аналитические зависимости для расчета мощности и выбора электродвигателей.

8. Разработанный способ совершенствования короткозамкнутых асинхронных электроприводов практически реализован в плавно регулируемом электроприводе подачи рабочего органа траншейного выгрузчика силоса ПТС-30, рекомендованным Северо-Кавказской государственной машиноиспытательной станцией для использования на выгрузчиках консервированных кормов с рабочими органами цепочно-планчатого типа. Испытания подтвердили его высокую эффективность и широкие регулировочные возможности.

Теоретически обоснованная однопроводная система передачи электроэнергии рассредоточенным узлам нагрузки в АПК, с использованием земли в качестве обратного провода, позволяет снизить затраты на линии электропередач, уменьшить потери электроэнергии при передаче, повысить надежность и качество доставляемой электроэнергии.

Разработанные технические устройства (A.c. СССР 1798850 и патент РФ 2115988) обеспечивают решение актуальной задачи, позволяющее для ответственных технологических процессов в сельскохозяйственном производстве не только осуществлять традиционную защиту электроустановок, но и обеспечить непрерывность их работы при аварийных режимах питающей сети.