Введение к работе
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:
-
Устройства регулирования напряжения под нагрузкой с тиристорно-контактным способом коммутации отводов (УРПН с ТКУ).
-
Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы (УШР).
-
Статические тиристорные компенсаторы (СТК).
-
Бесконтактные трансформаторно-тиристорные регуляторы показателей качества электроэнергии.
-
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:
-
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.
-
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.
-
Адаптация алгоритма управления трансформаторно-тиристорным модулем для обеспечения достаточного быстродействия микропроцессорной системы управления. Анализ и выбор различных вариантов микропроцессорных средств.
-
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.
-
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, а 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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
Разработан специализированный алгоритм для микропроцессорной системы управления трансформаторно-тиристорным модулем на базе микроконтроллера AT91M63200. Алгоритм разделяет во времени процедуры расчета номера оптимального режима работы трансформаторно-тиристорного модуля и управления им в реальном времени.
Практическая ценность результатов работы.
-
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).
-
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.
-
Разработаны программные комплексы TTM_INFO и TTM_PR, 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.
-
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 №2000/1439, заключенным между НГТУ и ЗАО “Стромизмеритель”;
при проектировании новой серии промышленных трехфазных стабилизаторов напряжения в ЗАО “Стромизмеритель”. Использованы материалы патента России №2209501, кл. 7H02M5/12, 5/257 – "Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях и устройство для его осуществления" [12], а также материалы базы данных №2002620026 – "Параметры электроэнергии на выходных зажимах трансформаторно-тиристорного модуля при различных режимах его работы" [4].
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.
