Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Энергоэффективность машиностроительных технологических процессов - важнейший показатель их качества 9
1.1 Анализ структуры энергопотребления на современном машиностроительном предприятии 9
1.2 Электротехнические особенности асинхронных двигателей оборудования при реализации машиностроительных технологических процессов 13
1.3 Технологические и параметрические методы снижения энергоемкости технологических процессов 15
1.4 Постановка задачи 20
Глава 2. Исследование энергетических характеристик силовых выпрямительных устройств технологического оборудования 22
2.1 Особенности реализации машиностроительных технологических процессов 22
2.2 Анализ методов построения силовых выпрямительных устройств технологического оборудования 34
2.2.1. Импульсные выпрямительные устройства без гальванической развязки 42
2.2.2 Трансформаторные импульсные выпрямительные устройства. 50
2.3 Физические принципы работы силовых импульсных выпрямительных устройств технологического оборудования 54
2.4 Исследование влияния параметров технологических процессов на энергетические характеристики силовых выпрямительных устройств 57
2.5 Выводы
Глава 3. Разработка и исследование силового импульсного выпрямительного устройства с улучшенными энергетическими характеристиками 66
3.1 Исследование особенностей работы силовых импульсных выпрямительных устройств при переменных нагрузках
3.2 Разработка алгоритма повышения энергоэффективности силового импульсного выпрямительного устройства 72
3.3 Разработка экспериментального образца импульсного выпрямительного устройства с системой рекуперации энергии 76
3.4 Исследования экспериментального образца импульсного выпрямительного устройства с системой рекуперации энергии 79
3.5 Выводы 83
Глава 4. Разработка и исследование функциональной модели энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках 85
4.1 Разработка функциональной модели энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках 85
4.2 Разработка алгоритма работы автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках 88
4.3 Компьютерное моделирование автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках 90
4.4 Выводы 101
Заключение 103
Список литературы
- Технологические и параметрические методы снижения энергоемкости технологических процессов
- Анализ методов построения силовых выпрямительных устройств технологического оборудования
- Разработка алгоритма повышения энергоэффективности силового импульсного выпрямительного устройства
- Разработка алгоритма работы автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках
Введение к работе
Актуальность работы
Энергоэффективность промышленного предприятия в целом и отдельных технологических процессов в частности является одним из важнейших показателей качества как отдельного производства, так и отрасли в целом и в значительной степени определяет его конкурентоспособность.
Одной из характерных особенностей современного машиностроительного производства является наличие в нем автоматизированного технологического оборудования.
Значительная часть этого оборудования уже спроектирована на электропитание от сети постоянного тока. Это, прежде всего, оборудование гальванических цехов, электросварки, электротермической обработки, покраски. И поэтому для работы в сети переменного тока такое оборудование оснащается специальными выпрямительными устройствами.
Другая же часть производственного оборудования, хотя и спроектирована на электропитание от сети переменного тока, но ее электротехническая система содержит в своем составе также выпрямительные устройства. К этому оборудованию относятся в первую очередь современные металлорежущие станки и комплексы.
Одной из основных особенностей реализуемых на этом оборудовании технологических
процессов являются переменные нагрузки на его электротехнические системы в целом и его
выпрямительные устройства в частности. Такие режимы эксплуатации выпрямительных
устройств технологического оборудования являются причиной изменения их
энергоэффективности и стабильности выпрямленного напряжения.
Все это требует вносить коррективы в работу выпрямительных устройств средствами автоматизации с учетом реальной нагрузки на них.
По этой причине задача автоматизации и управления силовыми выпрямительными устройствами для повышения их энергоэффективности при переменных нагрузках является актуальной задачей.
Цель настоящей работы заключается в повышении энергетической эффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и в режимах малых нагрузок на основе автоматизированных систем управления.
Согласно поставленной цели в работе решались следующие задачи: 1. Рассмотреть энергетические характеристики выпрямительных устройств технологического оборудования и исследовать их изменения при разных мощностях технологических процессов, реализуемых на этом оборудовании.
2. Разработать модели и алгоритмы функционирования выпрямительных систем
технологического оборудования, обеспечивающие улучшение их энергетических
характеристик при переменных нагрузках.
-
Обосновать схемные решения реализации разработанных моделей и алгоритмов с точки зрения снижения энергоемкости машиностроительных технологических процессов в частности и снижения энергопотребления предприятия в целом.
-
Экспериментально подтвердить достоверность разработанных моделей, алгоритмов и методик, обеспечивающих повышение энергетических характеристик силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках.
Методы исследования
Исследования основываются на основных положениях теории автоматического управления, технологии машиностроения и математической статистике. Научная новизна работы заключается в:
-
установлении качественных и количественных взаимосвязей между энергетическими характеристиками силовых выпрямительных устройств технологического оборудования и параметрами технологических процессов, реализуемых на этом оборудовании;
-
моделях и алгоритмах повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок, их функционировании при автоматизированном управлении группой энергоэффективных силовых выпрямительных устройств;
-
методиках повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках на основе методов пассивной подгрузки и рекуперации энергии.
Практическая ценность работы заключается в методиках повышения энергоэффективности силовых импульсных выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и режиме малых нагрузок и в создании на их основе автоматизированной энергосберегающей системы управления группой этих выпрямительных устройств.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. результаты исследования энергетических характеристик выпрямительных
систем технологического оборудования при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок;
-
модели и алгоритмы повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках и в режиме малых нагрузок, а также для управления группой энергоэффективных силовых выпрямительных устройств технологического оборудования;
-
методики повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств технологического оборудования при переменных нагрузках на основе методов пассивной подгрузки и рекуперации энергии, а также методика построения автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается результатами экспериментальных исследований.
Реализация работы
Результаты работы были использованы для повышения энергоэффективности экспериментального управляемого силового импульсного выпрямительного устройства в лабораториях научно образовательного центра «Энергосбережение в промышленности», а также в учебном процессе на кафедре «Высокоэффективные технологий обработки» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» при изучении дисциплины «Высокоэффективные технологии обработки» и на кафедре «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН-» при изучении дисциплин: «Энергоэффективность технологических процессов» и «Инженерно-экологическое обеспечение технологических процессов».
Апробация работы
Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:
-
заседаниях кафедры «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»;
-
Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-11), ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, ноябрь 2011 г.;
-
Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии» (АИ Т-2012), МГТУ «СТАНКИН», сентябрь 2012 г.
4. Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, 2010.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 работ в журналах из перечня периодических рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК.
Диссертационная работа соответствует формуле научной специальности 05.13.06 -Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки) в областях исследований:
методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д.;
теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация;
методы планирования и оптимизации отладки, сопровождения, модификации и эксплуатации задач функциональных и обеспечивающих подсистем АСУТП, АСУП, АСТПП и др.., включающие задачи управления качеством, финансами и персоналом.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 11 таблиц, список литературы включает 72 наименования.
Технологические и параметрические методы снижения энергоемкости технологических процессов
В качестве примера, иллюстрирующего изменяющуюся мощность на валу двигателя, на рисунке 1.5 представлена нагрузочная характеристика при реализации технологического процесса обработки вала на токарном станке (номинальная мощность электродвигателя - 11 кВт) [24].
Из рисунка 1.5 следует, что зачастую при реализации стандартных технологических процессов двигатели электроприводов механообрабатывающего оборудования эксплуатируются со значительно ниже номинальной мощностью.
Следует также отметить, что, асинхронный трёхфазный электродвигатель можно считать лидером среди устройств для преобразования электроэнергии в механическую, в современном машиностроительном технологическом оборудовании электродвигатель, работает как непосредственно от трёхфазной сети 380/220 В, так и подключается к сети через частотно-регулируемый блок, что позволяет упростить и удешевить кинематическую схему станка без существенного снижения его эксплуатационных характеристик, а также в значительной степени расширить его возможности [16,19,21,36,57].
При обеспечении машиностроительных технологических процессов важнейшая роль принадлежит инженерам-технологам, разрабатывающим технологический процесс изготовления изделий с применением современных технологических процессов изготовления изделий [24], высокоэффективного инструмента [56], например инструмента с ионно-плазменным напылением [25], высокоскоростных режимов резания и других современных технологий изготовления изделий, обеспечивающих минимизацию мощности резания, а значит и повышение энергоэффективности технологического процесса.
Однако все усилия инженера-технолога в значительной степени сводятся на нет низкой энергоэффективностью систем преобразования энергии и передачи ее в зону резания.
Низкая энергоэффективность этих систем обусловлена недогрузкой асинхронного электродвигателя при реализации машиностроительных технологических процессов и существенными потерями энергии при ее передаче от электродвигателя в зону резания.
Для повышения энергоэффективности систем преобразования электрической энергии в механическую необходимо повышать коэффициент мощности этих систем, низкое значение которого обусловлено тем, что мощность на валу электродвигателя при реализации машиностроительных технологических процессов в подавляющем большинстве случаев ниже, часто существенно, номинальной мощности электродвигателя - недогрузка станка.
Недогрузка станка является характерной особенностью машиностроительных технологических процессов, обусловленной разными мощностями резания на многообразных технологических переходах (черновое и чистовое точение, снятие фаски, холостого хода и др.) Снять недогрузку можно двумя путями. Во-первых, следует подобрать оборудование, номинальная мощность электродвигателя которого соответствует мощности резания (стрелка "а" -рисунок 1.4). Однако это трудно реализуемо при единичном и мелкосерийном производстве, при изготовлении деталей, когда мощности резания технологических операций при одной установке существенно отличаются друг от друга. Во-вторых, увеличить мощность резания до номинального для двигателя значения (стрелка "б" на рисунке 1.4), например, за счет совмещения технологических переходов. Однако, это существенно усложняет инструмент увеличивает себестоимость технологического процесса.
К разновидности технологических методов снижения энергоемкости машиностроительных технологических процессов следует отнести и снижение потерь энергии при ее передаче в зону резания.
В этом случае следует установить качественную и количественную взаимосвязь между потерями энергии и одним из традиционных управляемых параметров, например, скоростью резания. В случае наличия этой взаимосвязи изменяют выявленный управляемый параметр.
Однако при этом следует иметь в виду, что изменение управляемого параметра технологического процесса приводит к изменению качества изделия. Чтобы предотвратить изменение качества более допустимых пределов необходимо ограничить изменение управляемого параметра, т.е. решить оптимизационную задачу.
Значительный интерес представляет параметрический метод повышения коэффициента мощности посредством изменения параметров электротехнических систем станка. Как указывалось выше, снижение реальной нагрузки на валу электродвигателя относительно её номинального значения вызывает существенное снижение значения коэффициента мощности. Т.к. электродвигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку, то для повышения коэффициента мощности следует включать устройства, обеспечивающие компенсацию реактивной составляющей потребляемого тока (компенсационный метод) каждый из обмоток (рисунок 1.6). Это можно обеспечить, например, либо посредством конденсаторных установок, либо посредством тиристорных компенсаторов [24].
Анализ методов построения силовых выпрямительных устройств технологического оборудования
Регулирование выходного напряжения с целью его стабилизации осуществляется с помощью блока управления и цепи обратной связи. Большинство импульсных источников питания генерируют последовательность импульсов фиксированной частоты, длительность которых можно изменять, варьируя время работы транзистора в открытом состоянии. Это уравновешивает изменения во входном напряжении и выходной нагрузке. Выходное напряжение сравнивается с точным значением опорного напряжения, и разница между ними, воспроизводимая компаратором, используется схемой управления для изменения ширины импульсов, выдаваемых силовым ключом. Корректно спроектированная схема обеспечивает высокую стабильность выходного напряжения. Очень важно, чтобы задержки в цепи управления были сведены к минимуму, иначе стабильность работы устройства будет нарушена.
Таким образом, импульсный источник питания в общем случае должен выполнять следующие функции с высокой эффективностью и малыми потерями: 1. Выпрямление - преобразование входного переменного напряжения сети в постоянное. 2. Входная фильтрация - сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. 3. Трансформация и гальваническая развязка - получение напряжения нужной величины, гальванически развязанного относительно входных цепей. 4. Регулирование - поддержание постоянного уровня выходного на пряжения независимо от изменений в сети, нагрузки и температуры. 5. Выпрямление и фильтрация выходная - преобразование переменного напряжения на выходе трансформатора в последовательность однополярных импульсов и выделение их постоянной составляющей. 6. Защита - предотвращение возникновения скачков напряжения на выходе, отключение при нарушении электроснабжения, превышении нагрузки или коротком замыкании.
Регулирование выходного напряжения происходит благодаря тому, что изменение скважности импульсов на выходе ключей вызывает соответствующее изменение постоянной составляющей напряжения на нагрузке.
В настоящее время существует большое количество схем построения импульсных источников питания, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки, что делает их применимыми для решения определённых классов задач. Таблица 2.3 - Обобщенное сравнение импульсных и линейных преобразователей № п/п Параметр Импульсные стабилизаторы Линейные стабилизаторы 1. К.П.Д. от 65% до 85% общий От 25% до 50% общий 2. Повышение температуры Легко достичь не выше от 20С до 40С. Часто достигает от 50С до 100С; сильно зависит от способа отвода тепла. 3. Пульсации Обычно полый размах составляет от 20 до 50 мВ. Меньше пульсации обычно трудно достичь. Легко получить полный размах 5мВ, дороже стоит получит более низкие значения пульсаций. 4. Суммарныйкоэффициентстабилизация 0,3% - типичное значение. Получить стабилизацию лучше обычно трудно. 0,1% типичное значение, а более точная стабилизация стоит дороже. 5. Плотность От 2,5 до 4-5 Вт на кубический дюйм для 20 От 0,3 до1 Вт на кубический дюйм. № п/п Параметр Импульсные стабилизаторы Линейные стабилизаторы мощности до 50 кГц. При повышении частоты переключения может доходить до 75 Ватт на кубический дюйм. Очень сильно зависит от уровня мощности, величины входного напряжения и способа отвода тепла. 6. Защита от импульсных переходных процессов в сети Очень хорошая, часто выше 60 dB. Обычно ниже, чем у импульсных стабилизаторов. Помехи в сети часто попадают в нагрузку. 7. Электромагнитные излучения Могут быть значительны. Требуются экранировка, подавление и фильтрация. Меньшая вероятность иметь неблагоприятные эффекты. 8. Трансформатор Некоторые варианты могут обходиться совсем без громоздкого трансформатора рассчитанного на частоту 60Гц. Большой и дорогой трансформатор для работы на частоте 60Гц. 9. Надежность Большее число компонент, но последние разработки используют интегральные схемы. Надежность повышается при использовании принудительного охлаждения. Более высокая рабочая температура часто ухудшает надежность. 10. Стоимость Стоимость резко уменьшается с повышением частоты переключений. Существует общая тенденция снижения стоимости при использовании новых приборов. Стоимость по сравнению со стоимостью линейных Маломощные линейные стабилизаторы имеют преимущество в стоимости. Однако с учетом всех факторов при рассмотрении системы в целом, более значимыми в смысле стоимости становится другие факторы. 60-герцые трансформаторы № п/п Параметр Импульсные стабилизаторы Линейные стабилизаторы стабилизаторов снижается и сейчас они примерно равны при мощности около 20 ватт. и система охлаждения могут повысить стоимость всей системы.
Хорошо известны и описаны в литературе три базовые схемы импульсных выпрямительных устройств без гальванической развязки понижающий, повышающий и инвертирующий преобразователи.
Преобразование энергии в этих схемах производится при помощи индуктивностей и емкостей. Это наиболее простые устройства с минимальным количеством компонентов. На примере таких схем в полной мере могут быть исследованы закономерности работы и методы анализа более сложных типов преобразователей.
Структурная схема понижающего импульсного преобразователя изображена на рисунке 2.6. Для облегчения анализа работы данной схемы и остальных базовых схем преобразователей примем некоторые допущения. Будем считать, что все компоненты идеальны. Конденсатор имеет бесконечную емкость, поэтому можно пренебречь пульсациями выходного тока.
Разработка алгоритма повышения энергоэффективности силового импульсного выпрямительного устройства
Для обеспечения возможности применения силовых импульсных выпрямительных устройств для технологического оборудования в диссертационном исследовании предлагается исследовать способ дальнейшего повышения эффективности работы силового импульсного преобразователя при сохранении высокого КПД во всем диапазоне работы, низкого уровня пульсаций и хорошей стабильности выходного напряжения за счет включения в схему устройства так же блока рекуперации энергии.
Крупные современные производители преобразовательного оборудования с целью повышения эффективности использования электроэнергии в последние несколько лет сосредоточены на разработке систем рекуперации электроэнергии в сеть. Примером могут служить высокоэффективные частотные преобразователи Siemens, Control Techniques, Mitsubishi с рекуперацией для электродвигателей. Все они используют один и тот же эффект рекуперации энергии при торможении двигателя.
В случае работы преобразователя частоты в режиме рекуперации, каскад IGBT транзисторов (используемый в приводе в качестве выходного каскада) работает как выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. При интенсивном торможении двигателя и, как следствие, превышении напряжения на звене постоянного тока преобразователя частоты выше определенного уровня, каскад IGBT транзисторов ПЧ генерирует электрическую энергию в сеть. Разница напряжений между фазным напряжением широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и напряжением питания прикладывается к индуктивностям (индуктору рекуперации). Это напряжение содержит много высокочастотных гармоник, которые сглаживаются индуктивностью и на выходе ПЧ получается синусоидальный ток с практически отсутствием высших гармоник. Для синхронизации привода с рекуперацией энергии с сетью не требуется дополнительного оборудования. Определение параметров вектора напряжения сети происходит за счет подачи ШИМ – модулятором трех специальных тестирующих импульсов в питающую сеть. В данной работе предлагается использование аналогичного схемотехнического решения для повышения энергоэффективности силовых выпрямительных устройств в режимах малых нагрузок, что позволит обеспечить работу устройства во всем диапазоне нагрузочных режимов при сохранении высоких значений коэффициента полезного действия и высокой стабильности выходного напряжения. Функциональная схема выпрямительного устройства с повышенной эффективностью представлена на рисунке
Трёхфазное напряжение 380/220 В (частота 50 Гц) по шинам L1, L2 и L3 поступает через входной фильтр во входной преобразователь переменного напряжения в постоянное (AC/DC выпрямитель) с дополнительной функцией по коррекции коэффициента мощности (ККМ). Проходя через фильтр постоянного тока и специальный объединительный диод D1, постоянное напряжение с выхода входного преобразователя переменного напряжения в постоянное поступает на вход основного высокочастотного преобразователя постоянного тока (DC/DC). Выходной ток (Iвых) последнего подаётся в линию и далее непосредственно потребителям.
С помощью датчика тока происходит измерение величины выходного тока. Управляющий сигнал с датчика тока поступает на вход системы управления блоком рекуперации. Блок рекуперации в свою очередь представляет собой управляемый преобразователь постоянного напряжения (DC/DC преобразователь). В момент времени, когда величина потребляемого устройством тока становится меньше заданного порогового значения (Iвых.мин.), датчиком тока вырабатывается сигнал на включение блока рекуперации. При этом потребляемый блоком рекуперации ток автоматически задается определенном уровне, обеспечивающем поддержание суммарного общего потребления блока рекуперации и нагрузки выше заданного порогового значения.
Вся энергия, которая потребляется DC/DC блоком рекуперации (за исключением энергетических потерь), в последствии возвращается в систему. Это становится возможным благодаря возврату выходного тока блока рекуперации (через объединительный диод D2) на вход основного преобразователя постоянного напряжения (DC/DC преобразователя). Предложенная функциональная схема выпрямительного устройства и алгоритм ее работы позволит значительно расширить горизонт устойчивой работы основного преобразователя и повысить его энергоэффективность, в гораздо большей степени, чем при применении метода пассивной подгрузки.
Экспериментальная подтверждение результатов, изложенных в разделе 3.2, проводилось с использованием специально разработанного макета импульсного выпрямительного устройства с системой рекуперации энергии, номинальной мощностью 2000 Вт при выходном напряжении 220 В , общий вид которого представлен на рисунке 3.7.
Разработка алгоритма работы автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках
Система управления состоит из двух интеллектуальных преобразовательно-распределительных устройств, соединительных кабелей и групп потребителей. Точки, имеющие входные/выходные узлы RN, относятся к логическим элементам TACS, необходимым для определения управляющих и регулирующих сигналов двух ПРУ. Для замещения устройств ПРУ применялись источники постоянного тока (внутренние нелинейные сопротивления: R1, R2) с интеллектуальной системой управления, смоделированной при помощи логики TACS элементов. При моделировании соединительные кабели были замещены LC элементами, а потребители емкостью С1 и активным сопротивлением RN.
При осуществлении моделирования были заданы следующие начальные параметры: Lk1 = Lk2 = 0,5 мГн; Ck = 0,105 мкФ; RN = 10 Ом; C1 = 10 мкФ; Схема замещения автоматизированной энергосберегающей системы Будем рассматривать униполярную схему преобразовательно-распределительного устройства. Величина номинального напряжения каждого из преобразователей составляет 220 В. Номинальный ток изменяется в диапазоне от 10 до 40 А. Общая длина соединительного кабеля составляет 100 м. Нагрузка в данной модели представлена как активное сопротивление величиной 10 Ом и емкостью - 10 мкФ, которые в свою очередь эквивалентны подключению преобразователя напряжения, питающего ЧРП.
Соединительный кабель был замещен Т-образной схемой с индуктивностями на концах величиной Lk/2=0,5 мГн и емкостью величиной Сk=0,5 мкФ. Т.к. эквивалентные активные сопротивления преобразователей превышают более чем на 2 порядка активные сопротивления кабелей, то ти сопротивления не учитываются.
Активное сопротивление RN, представляющее собой нагрузку, также как и вход частотно-регулируемого преобразователя С1 подключаются к средней части кабеля. В том же месте подключается ветвь короткого замыкания (КЗ) с активным сопротивлением величиной 1 мОм.
Преобразователи с аналогичными параметрами представлены внешними характеристиками и получают питание от системы переменного тока 380 В бесконечно большой мощности. В ветвях U11 и U21 сопротивлениями R1, R2 учитываются эквивалентные сопротивления преобразователей.
В обоих преобразователях регуляторы тока воспроизводятся логическими элементами TACS, приведенными в верхней части рисунка 4.8, в виде передаточных функций —. Токи I 1 и I 2 , регистрируемые на выходе преобразователей, являются входными сигналами регуляторов тока. Для изменения нелинейных сопротивлений преобразователей используются выходные сигналы регуляторов RN1 и RN2. Принимается, что уставка регуляторов тока зависит от номинального тока нагрузки: 10-40 А (при этом ток в цепи преобразователя составляет от 5 до 20 А). Изменение выходного напряжения Uout каждого преобразователя происходит в диапазоне от 0 до 400 В. Т.о., в номинальном режиме эквивалентное сопротивление преобразователей составляет 2 Ом, а на отрезке регулирования -20 Ом.
Анализ графиков рисунка 4.9 а) показал, что в момeнт времeни 5 мс включeние преобразовaтелей (U1 и U2) ведет нaрaстанию нaпряжения нa их выходе ступенчатым характером, в то время как нарастание нaпряжeния нaгрузки (Uн) происходит экспоненциaльно. Таким образом, переходный процесс при коммутации ПРУ проходит быстро и без перенапряжений, при этом на нагрузке также не наблюдается скачков и резонансных явлений.
Частотное разделение подтверждает возможность замещения выпрямителя источником постоянного тока. То есть. в модели снабжения группового потребителя принятая нами схема замещения выпрямителя ПРУ простым источником постоянного тока верна и соответствует реальным процессам. h
Анализ графиков 4.9 (б, в) показывает, что в момент времени 5 мс характер изменения токов Іь І2, 1н, является непериодическим. В момент времени 10 мс при подключении емкости Сі амплитуда колебаний тока достигает величины 1,5 относительные единицы, частота колебаний 2,5 кГц, а длительность затухания менее 1 мс.
В точке 15 мс ток IКЗ достигает 9 кА. В то же время благодаря наличию регуляторов и индуктивностей кабеля токи преобразователей не превышают 85 А (7,7 относительных единиц). Длительность переходного процесса не более 3 мс, фронт импульса тока 0,4 мс.
По результатам компьютерного моделирования были сделаны следующие выводы: —при включении преобразователей на входе напряжение нарастает ступенчато, на нагрузке - экспоненциально (переходный процесс при коммутации ПРУ проходит быстро и без перенапряжений, при этом на нагрузке также не наблюдается скачков и резонансных явлений); —за счет продольных индуктивностей кабеля колебания 2,5 кГц на полюсах отсутствуют (это подтверждает возможность замещения выпрямителя ПРУ простым источником постоянного тока); —анализ аварийных и переходных режимов показал, что вентили преобразователя не запираются и система отключается штатными системами защиты; —при переходных режимах (коммутация нагрузки, холостой ход) напряжения в кабеле не превышают установленной нормы, что позволяет отказаться от использования устройств для защиты от импульсных перенапряжений; —токи в аварийных режимах (режим КЗ на стороне потребителя) имеют малую длительность, которая выдерживается штатными системами защиты ПРУ, что позволяет еще больше удешевить систему.
Таким образом, проведенное компьютерное моделирование подтвердило работоспособность предлагаемой функциональной модели автоматизированной энергосберегающей системы управления группой силовых выпрямительных устройств при переменных нагрузках с интеллектуальной системой управления, состоящей из нескольких преобразовательно-распределительных устройств и нескольких потребителей, а также выявлены условия для обеспечения большей надежности разрабатываемого оборудования.