автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Трансформаторно-тиристорный модуль с микропроцессорной системой управления для улучшения качества электроэнергии цеховых сетей

Введение

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ

1.1 Обзор качества электроэнергии в электросетях

1.2 Влияние качества электроэнергии на работу цеховых электроприемников

1.3 Трансформаторно-тиристорное оборудование для регулирования параметров электроэнергии в цеховых сетях

1.3.1 Трансформаторно-тиристорные источники питания сварочных аппаратов и машин

1.3.2 Преобразовательные агрегаты для электролиза

1.3.3 Электроустановки для повышения ПКЭ в цеховых сетях

1.3.4 Трансформаторно-тиристорный модуль - устройство для повышения ПКЭ

1.3.5 Требования к быстродействию системы ТТМ с МПСУ для регулирования ПКЭ

1.4 Режимы работы некоторых электроприемников промышленного цеха

1.4.1 Характеристика режима работы цеха металлообработки

1.4.2 Характеристика циклограммы работы сварочных агрегатов

1.4.3 Характеристика режимов работы цеховых электроприемников с резкопеременной нагрузкой

1.5 Микропроцессорные информационные системы управления и сбора данных для производственных предприятий

1.6 Микропроцессорная система управления для трансформаторно-тиристорного модуля

1.6.1 Технические требования для МПСУ ТТМ

1.6.2 Анализ существующих вариантов МПСУ ТТМ

1.7 Выводы

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГО МОДУЛЯ

2.1 Математическая модель стационарных режимов работы ТТМ

2.2 Математическая модель динамических режимов работы ТТМ

2.3 Поиск оптимального стационарного режима работы ТТМ 57 2.3.1 Постановка задачи и обоснование алгоритма ее решения

2.3.2 Целевая функция для поиска оптимального стационарного режима работы ТТМ и аддитивный критерий оптимальности

2.3.3 Примеры реализации выбора оптимального стационарного режима на основе аддитивного критерия оптимальности

2.4 Расчет процесса стабилизации трехфазного напряжения в цеховой сети

2.5 Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫМ МОДУЛЕМ

3.1 Основные этапы проектирования МПСУ

3.2 Анализ алгоритма управления ТТМ

3.3 Экспериментальная оценка длительности алгоритма управления ТТМ на различных микропроцессорных системах

3.4 Анализ вариантов разработки МПСУ ТТМ

3.5 Адаптация аналитического этапа алгоритма управления ТТМ

3.6 Выбор и описание микропроцессорных средств МПСУ ТТМ

3.7 Программная реализация адаптированного алгоритма управления стабилизатором трехфазного напряжения на базе ТТМ

3.8 Характеристика быстродействия разработанной МПСУ для ТТМ

3.9 Методы обеспечения помехоустойчивой работы МПСУ

3.10 Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТА СТАБИЛИЗАТОРА ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГО МОДУЛЯ С МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ 126 4.1 Макет стабилизатора трехфазного напряжения на базе ТТМ с МПСУ

4.1.1 Описание макета

4.1.2 Алгоритмы измерений и сбора данных

4.1.3 Аварийные ситуации и их обработка

4.1.4 Экспериментальное исследование макета

4.1.4.1 Стационарные режимы работы

4.1.4.2 Динамические режимы работы

4.1.4.3 Оптимальные режимы работы

4.1.4.4 Оценка быстродействия макета стабилизатора

4.2 Разработка проекта промышленного стабилизатора трехфазного напряжения

4.3 Выводы

Актуальность темы. Электроэнергия является важнейшим сырьем, потребляемым в процессе материального производства. Её качество существенно влияет на технико-экономические характеристики и надежность работы электрооборудования. Провалы, колебания, отклонения, несимметрия напряжений, а также другие факторы приводят к экономическим потерям из-за неоптимальной работы электроприемников и увеличения брака продукции. Особая роль в ухудшении показателей качества электроэнергии (ПКЭ) принадлежит мощным электроприемникам с резкопеременными режимами энергопотребления. В России и за рубежом ведутся работы в направлении улучшения ПКЭ путем совершенствования существующих, а также создания и внедрения новых технологий и устройств.

В настоящее время разработано несколько вариантов трансформаторно-тиристорных устройств для регулирования ПКЭ в цеховых электросетях:

1. Устройства регулирования напряжения под нагрузкой с тиристорно-контактным способом коммутации отводов (УРПН с ТКУ).

2. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы (УШР).

3. Статические тиристорные компенсаторы (СТК).

4. Бесконтактные трансформаторно-тиристорные регуляторы показателей качества электроэнергии.

5. Силовые параллельные фильтры для компенсации неактивных составляющих мощности.

К числу таких устройств относятся и различные варианты трансформаторно-тиристорных модулей (ТТМ) с микропроцессорной системой управления (МПСУ). Анализ показал, что ТТМ обладают широкими функциональными возможностями для улучшения ПКЭ. Однако, их применение для мощных цеховых электроприемников с резкопеременными режимами работы ограничено из-за невысокого быстродействия используемых МПСУ.

Таким образом, решение комплексной проблемы разработки быстродействующей микропроцессорной системы управления ТТМ для улучшения ПКЭ в цеховых сетях, содержащих мощные электроустановки с резкопеременными режимами энергопотребления, является актуальным.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и в исследовании новой микропроцессорной системы управления для трансформаторно-тиристорного модуля, обеспечивающей в режиме реального времени улучшение параметров качества электроэнергии цеховых сетей, в составе которых находятся мощные электроустановки с резкопеременными режимами энергопотребления.

Задачи диссертационной работы:

1. Исследование режимов работы промышленного цеха и некоторых, мощных цеховых электроприемников, характеризующихся резкопеременными режимами энергопотребления. Определение технических требований к новой микропроцессорной системе управления для трансформаторно-тиристорного модуля.

2. Разработка теоретически обоснованной математической и компьютерной моделей процесса многокритериального поиска оптимального стационарного режима работы трансформаторно-тиристорного модуля на основе критерия аддитивной свертки с расчетными методами выбора весовых коэффициентов для частных критериев оптимальности.

3. Адаптация алгоритма управления трансформаторно-тиристорным модулем для обеспечения достаточного быстродействия микропроцессорной системы управления. Анализ и выбор различных вариантов микропроцессорных средств.

4. Разработка новой быстродействующей микропроцессорной системы управления для трансформаторно-тиристорного модуля в виде комплекса программных и аппаратных средств. Анализ методов обеспечения надежной работы в условиях промышленного цеха.

5. Создание и испытание макета трансформаторно-тиристорного модуля с микропроцессорной системой управления, анализ результатов испытаний макета и сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами компьютерного моделирования.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись методами: теории линейных электрических цепей, теории решения многокритериальных задач. При разработке микропроцессорной системы управления использовался метод неразрывного проектирования, метод разделения процессов во времени, принятый из теории решения изобретательских задач. Создание и отладка программных продуктов осуществлялась с помощью методов объектно-ориентированного и структурного программирования, сред разработки программ Visual Basic 6.0, ARM Developer

Suitkit, ARM External Debugger, a также внутрисхемного эмулятора ARM Embedded ICE. Экспериментальная часть выполнялась с применением персонального компьютера, цифрового осциллографа Tektronix TDS1002, цифрового вольтметра ЦВ2201.

Связь с научно-технической программой:

Работа выполнялась в рамках ведомственной научно-технической программы министерства образования и науки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы" на 2005 - 2006 г.г. (Подпрограмма 2 "Прикладные исследования и разработка по приоритетным направлениям науки и техники". Раздел 2.1 "Прикладные исследования". Направление "Энергетика". Проект "Разработка нового поколения полупроводниковых преобразователей и автоматизированных систем управления для повышения энергетической эффективности специальных электротехнологических и электромеханических комплексов". Исполнитель НГТУ.) Научная новизна:

1. Предложена целевая многокритериальная функция выбора оптимального стационарного режима трансформаторно-тиристорного модуля на основе критерия аддитивной свертки, позволяющая учитывать соотношение степени важности различных параметров качества электроэнергии.

2. Разработаны компьютерные модели, позволяющие исследовать процесс работы трансформаторно-тиристорного модуля с микропроцессорной системой управления в стационарных режимах, рассчитывать значения параметров качества электроэнергии с учетом предложенной многокритериальной целевой функции.

3. Показана техническая возможность создания современной микропроцессорной системы управления трансформаторно-тиристорным модулем, способной выполнять в режиме реального времени улучшение параметров качества электроэнергии цеховых сетей с резкопеременными режимами работы электроприемников.

4. Разработан специализированный алгоритм для микропроцессорной системы управления трансформаторно-тиристорным модулем на базе микроконтроллера АТ91М63200. Алгоритм разделяет во времени процедуры расчета номера оптимального режима работы трансформаторно-тиристорного модуля и управления им в реальном времени.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработана методика многокритериального поиска оптимального режима работы трансформаторно-тириторного модуля с микропроцессорной системой управления для улучшения параметров качества электроэнергии. На ее основе дана оценка эффективности применения стабилизатора трехфазного напряжения в цехе металлообработки ЗАО "Стромизмеритель" (г. Нижний Новгород).

2. Разработана и испытана современная микропроцессорная система управления устройствами на базе трансформаторно-тиристорного модуля в режиме реального времени для улучшения параметров качества электроэнергии в цехах, содержащих мощные электроприемники с резкопеременными режимами энергопотребления.

3. Разработаны программные комплексы ТТМ1МРО и ТТМРР, позволяющие получить готовую программу управления устройством для улучшения параметров качества электроэнергии на базе трансформаторно-тиристорного модуля. Эти же программные комплексы выполняют компьютерное моделирование работы данного устройства в стационарных режимах.

4. Создан макет стабилизатора трехфазного напряжения на базе трансформаторно-тиристорного модуля с микропроцессорной системой управления. Выполнены экспериментальные исследования качества стабилизации и снижения несимметрии линейных напряжений, быстродействия устройства, безаварийности динамических режимов его работы. На основе результатов испытаний макета выполнен технический проект промышленного трехфазного стабилизатора напряжения с МПСУ, предназначенного для работы в составе автоматических дозирующих смесительных линий стекольных цехов производимых ЗАО "Стромизмеритель" (г. Нижний Новгород).

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы:

• при создании действующего макета трансформаторно-тиристорного модуля в ЗАО "Стромизмеритель" (г. Нижний Новгород). Работа выполнена по х/д N02000/1439, заключенным между НГТУ и ЗАО "Стромизмеритель";

• при проектировании новой серии промышленных трехфазных стабилизаторов напряжения в ЗАО "Стромизмеритель". Использованы материалы патента России №2209501, кл. 7Н02М5/12, 5/257 - "Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях и устройство для его осуществления", а также материалы базы данных №2002620026 - "Параметры электроэнергии на выходных зажимах трансформаторно-тиристорного модуля при различных режимах его работы". Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2003), научно-техническом форуме «Будущее технической науки Нижегородского региона» (Нижний Новгород, 2003), IX международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики» (Нижний Новгород, 2004, 2006), Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2006).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе получены: патент России №2209501 и авторское свидетельство о регистрации базы данных №2002620026.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, четырех приложений. Объем диссертации составляет 169 страниц основного текста, 72 рисунка, 39 таблиц, список литературы из 125 наименований, 4 приложения.

4.3 Выводы

1. Разработан по техническому заданию ЗАО "Стромизмеритель" и испытан экспериментальный макет стабилизатора трехфазного напряжения на базе ТТМ мощностью 25 кВт с разработанной автором по изложенной в предыдущих главах диссертации методологии микропроцессорной системой управления.

2. Приведены методика и результаты экспериментального исследования стационарных режимов работы ТТМ. Целью этого эксперимента являлось сравнение измеренных выходных параметров макета ТТМ с расчетными данными, полученными по разработанной автором программе ТТМ1МРО, основанной на обобщенной математической модели стационарных режимов работы ТТМ. Анализ результатов исследования показал, что измеренные экспериментальные параметры с достаточной степенью точности (1-1,5%) соответствуют расчетным параметрам, полученным по математической модели.

3. Приведены результаты экспериментального исследования динамических режимов работы макета стабилизатора ТТМ. Целью эксперимента являлась проверка алгоритмов базы данных динамических режимов работы ТТМ на предмет отсутствия аварийных режимов, т.е. длительных коротких замыканий, а также исследование кратковременных коротких замыканий для оценки их воздействия на силовые электронные ключевые элементы. В процессе проведения эксперимента выполнено усовершенствование динамических режимов ТТМ. Экспериментальная проверка показала, что динамические режимы выполняются безаварийно, кратность выбросов тока короткого замыкания не превышает 3 от номинального значения, а форма тока, протекающего через запираемый тиристорный ключ, типовая.

4. Проведено экспериментальное исследование оптимального функционирования макета стабилизатора на базе ТТМ с МПСУ. Результаты показали, что при выполнении параметров технического задания во всех случаях происходило одновременное снижение величин относительного отклонения напряжения |511| и коэффициента несимметрии по обратной последовательности напряжений К2и- Для исследуемой выборки в 299 контрольных точек среднее значение относительного отклонения напряжения |511| составило 4,42% на входных зажимах макета и 0,75% на выходных зажимах макета, что обеспечило снижение относительного отклонения напряжения в 5,9 раз. Максимальное значение |511| на входе составило 9,98%, а на выходе 2,52%, что снизило относительное отклонение напряжения в 4 раза в наихудшем случае. Среднее значение Кги составило 2,63% на входных зажимах стабилизатора и 1,11% на выходных, что обеспечило снижение коэффициента несимметрии по обратной последовательности напряжения в 2,4 раза. Максимальное значение Кги в эксперименте составило 4,43% на входе и 3,36% на выходе устройства. Это уменьшило К2и в 1,3 раза в наихудшем случае. Результаты исследования вполне подтвердили эффективность функционирования стабилизатора на базе ТТМ с МПСУ.

5. Проведена экспериментальная оценка быстродействия работы макета стабилизатора трехфазного напряжения. В результате получено, что период повторения этого устройства составил 164 мс.

6. Выполнено сопоставление характеристик проектируемого промышленного стабилизатора на базе ТТМ с МПСУ с другими подобными устройствами. Отмечено, что по быстродействию регулирования напряжения проектируемый стабилизатор опережает другие устройства в 2 - 5 раз. Кроме того, он, в отличие от подобных устройств, одновременно отслеживает и стабилизирует отклонения напряжения и коэффициент несимметрии по обратной последовательности, в то время как у других устройств отсутствует возможность учета и регулировки К2и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. На основе анализа режимов работы промышленного цеха и ряда электроприемников, характеризующихся резкопеременным режимом энергопотребления обоснована возможность управления параметрами качества электроэнергии на зажимах цеховых трансформаторов с помощью трансформаторно-тиристорных модулей с современной микропроцессорной системой управления в режиме реального времени.

2. Обобщенная математическая модель стационарных режимов и составленная на её основе база данных стационарных режимов позволили создать методику теоретически обоснованного многокритериального поиска оптимальных режимов работы ТТМ в процессе улучшения ПКЭ. Разработка реализована в программном продукте ТТМ1МРО, с помощью которого проведен ряд сопоставительных расчетов. Для суточной гистограммы изменения напряжений в цехе металлообработки ЗАО "Стромизмеритель" выполнен расчет значений отклонений напряжений и коэффициента несимметрии напряжений на выходе стабилизатора напряжения на базе ТТМ. Показано, что в результате работы исследуемого устройства отклонения линейных напряжений снизились в среднем в б - 8 раз и составили 1 - 1,2%. Значение коэффициента несимметрии снизилось в среднем в 2 раза и составило 1,1%. Полученные результаты подтверждают эффективность применения ТТМ с МПСУ для улучшения ПКЭ и разработанного для ТТМ математической аддитивной модели оптимизации и способов выбора для неё весовых коэффициентов.

3. Применение принципа неразрывного проектирования для построения МПСУ, позволило адаптировать алгоритм управления ТТМ с целью расширения круга доступных микропроцессорных средств для решения задачи управления ТТМ в режиме реального времени. Разработан программный продукт ТТМРР, реализующий автономный этап адаптированного алгоритма управления. Он содержит в себе необходимые программные модули обработки данных и управления устройствами. Структура ТТМ РР имеет общий характер и может быть применена на различных микропроцессорных средствах, которые будут использоваться для построения МПСУ различными функциональными устройствами на базе ТТМ.

4. На основе выполненных в главах 2 и 3 теоретических разработок создан экспериментальный макет трехфазного стабилизатора напряжения на базе ТТМ с МПСУ. Оценено реальное быстродействие МПСУ и всего устройства в целом. Величина периода повторения МПСУ составила 44 мс, при прогнозируемом значении 80 мс. Период повторения системы ТТМ с МПСУ составил 164 мс, при прогнозируемой величине 200 мс. Полученные данные свидетельствуют об удовлетворительном решении поставленной задачи разработки МПСУ требуемого быстродействия.

5. Проверены стационарные режимы работы ТТМ. Различие экспериментальных и расчетных данных составило 1 - 1,5%. Проверены динамические режимы работы при введенных допущениях. Осциллографирование показало отсутствие аварийных длительных коротких замыканий при запирании тиристорных ключей. Оценено качество стабилизации напряжения для диапазона изменения линейных напряжений 380В ± 10%. Показано, что в результате работы стабилизатора наблюдается снижение отклонений напряжений в среднем в 5,9 раз, а их абсолютное значение не превышает 2,5% в наихудшем случае. Также отмечается снижение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в среднем в 2,4 раза. Таким образом, имеет место хорошее качественное и вполне удовлетворительное количественное соответствие теоретических разработок диссертации и экспериментальных данных.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований выполнен проект промышленного стабилизатора трехфазного напряжения на базе ТТМ с МПСУ мощностью 400 кВА для автоматических ДСЛ составных цехов стекольной промышленности, производимых ЗАО "Стромизмеритель".

1. Абель П. Ассемблер. Язык и программирование для 1.M PC: Пер. с англ. -5-е изд. - М.: Энтроп, 2003, 736 с.

2. Авторское свидетельство 506834 СССР, МКИ Ст. 05F1/14. Устройство регулирования напряжения трансформаторов под нагрузкой / В.А. Сучков, И.М. Туманов//Открытия. Изобретения. 1976. №10.

3. Алтунин Б. Ю. Макромоделирование тиристорных переключающих устройств силовых преобразовательных трансформаторов: Учеб. Пособие / НГТУ, Н. Новгород, 1998. 108 е., ил.

4. Алтунин Б. Ю. Структурное моделирование многофазных регулируемых преобразовательных агрегатов. НГТУ, Электрооборудование промышленных установок. НГТУ, 2002. с. 96 102.

5. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Петрозаводск: Скандинавия, 2003; 352 с

6. Анохин A.M., Глотов В.А., Павельев В.В., Черкашин A.M. Методы определения коэффициентов важности критериев // "Автоматика и телемеханика", №8, 1997, с3-35

7. Батищев Д.И., Шапошников Д.Е. Многокритериальный выбор с учетом индивидуальных предпочтений / ИПФ РАН. Н. Новгород, 1994. 92с.

8. Беляков В.В., Бушуева М.Е., Сагунов В.И. Многокритериальная оптимизация в задачах оценки подвижности, конкурентоспособности автотракторной техники и диагностики сложных технических систем / Нижегород. гос. техн. ун-т. Н.Новгород, 2001. 271 с

9. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1987 - 320 с.

10. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: Наука, 1976.

11. Богатырева A.B. Трансформаторно-тиристорные модули для построения бесконтактных систем электропитания электролизеров цветных металлов

12. Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук. Нижний Новгород, НГТУ, 2004.

13. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983.

14. Брахман ТР. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике. М.: Радио и связь, 1984, 287 с.

15. Вагин Г. Я. Режимы электросварочных машин. М.: Энергоатомиздат, 1985. 192 с.

16. Волий М. Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре.— 2-е изд. — М.: Радио и связь, 1981.—290 с

17. Волошко А., Данильчик А., Коцарь О., Тарасевич В. Система информационных энергосберегающих технологий // Современные технологии автоматизации, 1997, №4, с. 80-85

18. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом ДОДЭКА-ХХ1, 2001. -384 с.

19. Гарбуз Е.Г. Оптимизация параметров элементов систем электропитания, построенных на базе трансформаторно-тиристорных модулей силовой электроники. Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук. Нижний Новгород, НГТУ, 2002.

20. Геворкян В. Г. Основы сварочного дела: Учебник. -4-е изд., перераб. и доп. -М. Высш. шк., 1985. 186 е., ил.23.