ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ МОДУЛЬ С МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЦЕХОВЫХ СЕТЕЙ

На правах рукописи
Ваганов Сергей Александрович
ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ МОДУЛЬ
С МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ
УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЦЕХОВЫХ СЕТЕЙ
Специальность 05.09.12 – Силовая электроника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2006
Работа
выполнена
в
Нижегородском
государственном
техническом
университете на кафедре "Промышленная электроника".

Научный руководитель
кандидат технических наук, профессор
Кириенко Владимир Петрович

Официальные оппоненты
доктор технических наук, профессор
Иванов Александр Григорьевич
кандидат технических наук

Копелович Евгений Альбертович

Ведущая организация
ЗАО "НПО "Промэнерго"
(г. Нижний Новгород)
Защита состоится " 22 " декабря
заседании
диссертационного
2006 г. в 14 часов в аудитории №1258 на
совета
Д
212.165.02
в
Нижегородском
государственном техническом университете (603600, ГСП-41, г. Нижний Новгород,
ул. Минина, 24).
С
диссертацией
можно
ознакомиться
в
библиотеке
Нижегородского
государственного технического университета.
Автореферат разослан
" 15
"
ноября
2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент
В.В. Соколов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 трансформаторнотиристорных 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 трансформаторнотиристорных 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.
3
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, 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:
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
2.
4
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 AT91M63200. 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 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.
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
№2000/1439, заключенным между НГТУ и ЗАО “Стромизмеритель”;
5

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 научнотехнической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»
(Москва, 2003), научно-технической конференции «Актуальные проблемы
электроэнергетики» (Нижний Новгород, 2004, 2006), Всероссийской научнотехнической 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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи
исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.
В первой главе осуществлена постановка задачи улучшения ПКЭ с помощью
ТТМ с МПСУ в цехах содержащих мощные электроприемники с резкопеременными
режимами работы.
Отмечено, что качество электроэнергии в России, согласно публикациям
экспертов, работающих в области электроснабжения, признается невысоким по
различным причинам, в том числе из-за низкого уровня использования устройств
регулирования ПКЭ. Показано влияние отдельных ПКЭ из ГОСТ 13109-97 “Нормы
качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения”
на работу электроприемников. Сделан вывод об актуальности разработки новых и
совершенствовании существующих устройств для улучшения ПКЭ.
Дан обзор исследований и разработок в области силового трансформаторнотиристорного оборудования применяемого для регулирования ПКЭ цеховых сетей. В
работах В.В. Порудоминского, С.С. Окуня, Б.Ю. Алтунина, В.А. Сучкова рассмотрены
устройства УРПН с ТКУ. Исследования М.С. Либкинда, А.М. Бамдаса, Е.Д.
Фридлендера, Х. Беккера, В. Крамера посвящены устройствам УШР. Различные
варианты СТК представлены в работах Ю.С. Железко, А.К. Шидловского, Ю.К.
6
Розанова, В.А. Чванова, а бесконтактные трансформаторно-тиристорные
регуляторы ПКЭ - в трудах В.С. Климаша и И.Г. Симоненко. Теоретические и
экспериментальные исследования ТТМ приведены в монографиях и публикациях
И.М. Туманова, А.И. Чивенкова, А.А. Асабина, а силовых фильтров для компенсации
неактивных составляющих мощности - в работах В.П. Кириенко, Е.А. Копеловича.
Рассмотрены
принципы
и
особенности
функционирования
ТТМ.
Прогнозируемое значение периода повторения (ПП) МПСУ составляет на этапе
проектирования 80 мс, а системы ТТМ с МПСУ - 200 мс. Предложена оценка
эффективности применения системы ТТМ с МПСУ – коэффициент использования
ТТМ, определяемый формулой (1).
 t 
(1)
K  1  ПП   100% ,
tН 

где tПП – время запаздывания регулирования, равное периоду повторения
системы ТТМ с МПСУ;
tН – наименьшая из длительностей импульса и паузы резкопеременной
нагрузки. При этом принимается допущение, что импульс нагрузки имеет
прямоугольную форму.
Выполнено исследование циклограмм ряда цеховых технологических
электроприемников с резкопеременным характером энергопотребления: машины
контактной сварки (рис. 1), крупного вытяжного пресса (рис. 2), многокомпонентного
смесителя стекольной шихты (рис. 3).
P, кВт
1 этап
S, кВА
2 этап
3 этап
4 этап
850
Pсредн= 330 кВт
330
t, c
0
4
8
Pmin= 1,5 кВт
12 16 20 24 28 32 36 40 44
0
Рис.1. Типовая циклограмма
потребления мощности машиной
контактной сварки
1
2
3
4
5
6
t, c
Рис. 2. Циклограмма потребления
мощности электроприводом крупного
вытяжного пресса
Р, кВт
Ожидание
65 с
Загрузка
140 с
Смешивание
120 с
Разгрузка
55 с
60
40
20
t,c
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Рис. 3. Циклограмма потребления мощности многокомпонентным смесителем,
стекольной шихты установленным на ОАО "Салаватстекло"
Для рассмотренных электроприемников длительности стационарных состояний
составляют от двух и более секунд до нескольких минут. Таким образом, для этих
групп цеховых нагрузок применение ТТМ с МПСУ с периодом повторения 200 мс для
регулирования ПКЭ является оправданным и эффективным. Качество
7
регулирования может быть достаточно высоким (К  90%), при этом улучшение ПКЭ
с помощью ТТМ будет выполняться в режиме реального времени.
Во второй главе проведен анализ обобщенной математической модели
стационарных режимов работы ТТМ и базы данных, полученных при участии автора.
Отмечено, что они составляют информационную основу для новой МПСУ. Кратко
охарактеризованы динамические режимы ТТМ.
Функционирование системы ТТМ с МПСУ при изменении ПКЭ в цеховой сети
состоит в выборе нового стационарного режима работы и соответствующих
переключениях тиристорных ключей.
Выполнены обоснование алгоритма, постановка и решение задачи поиска
оптимального стационарного режима работы для ТТМ на основе методов теории
выбора и принятия решений. Это позволяет трактовать результаты поиска как
теоретически обоснованные, а также в процессе оптимизации учитывать важность
отдельных ПКЭ с помощью весовых коэффициентов.
Поиск оптимального номера стационарного режима работы (у ТТМ выделен 151
такой режим) является задачей многокритериальной дискретной оптимизации.
Для ТТМ автором предлагается в качестве набора частных критериев
использовать ПКЭ из табл.1.
Таблица 1
Задачи, решаемые ТТМ, и соответствующие им критерии
Задача
Критерий, соответствующий задаче
U – относительное отклонение напряжения
от величины уставки;
K2U – коэффициент несимметрии напряжений
Регулирование и стабилизация
по обратной последовательности;
трехфазного напряжения
K0U – коэффициент несимметрии напряжения
по нулевой последовательности (только для
модификации ТТМ, позволяющей
корректировать K0U).
Стабилизация и
I – относительное отклонение тока от
симметрирование
величины уставки;
потребляемых из сети токов
K2I – коэффициент несимметрии токов по
нагрузки
обратной последовательности;
Компенсация реактивной
Q – величина потребляемой реактивной
мощности
мощности.
Применение именно этого набора критериев для использования в задаче
оптимизации объясняется следующими их свойствами:

предлагаемые частные критерии являются функциями "штрафа" и имеют
конкретный физический смысл;

предлагаемый
набор
критериев
достаточно
полно
характеризует
функциональные возможности ТТМ;

эти критерии являются ПКЭ в ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии
в системах энергоснабжения общего назначения». Для них установлена
8
область допустимых значений. Они удобны для восприятия и известны
широкому кругу специалистов.




Пусть x = {x1, x2… x151} – множество стационарных режимов, а {L1( x ), L2,( x ) …
LS( x )} – набор частных критериев оптимальности.
При
разработке
необходимых
математических
моделей
процедуры
оптимизации примем следующие исходные положения:
1. Оптимальное управление ТТМ с помощью МПСУ интерпретируем как
минимизацию всех частных критериев, обладающих смыслом "штрафа" или
"потерь".
2. Частные критерии приведем к виду функций "штрафа", соответствующему


бинарному отношению R "меньше" ( L1( x ) < L2,( x ) ). Это отношение строгого
порядка и является -отделимым. Условие -отделимости




L1( x ) R L2,( x )  ( , L1( x )) < ( , L2( x ))
(2)
является необходимым для существования решения многокритериальной
задачи и сводит её к решению однокритериальной задачи (метод свертки).
В качестве целевой функции принимается модель аддитивного критерия
оптимальности:
s
FTTM ( w , L TTM ( x ))  w i L TTM i ( x ) ,
(3)
i 1
где wi – весовой коэффициент i – го частного критерия оптимальности.
LТТМ i - i – ый частный критерий оптимальности из табл. 1.
Для аддитивного критерия оптимальности задается дополнительное условие:
s
 w i 1.
(4)
i 1
Величина wi определяет важность i - го критерия оптимальности. Ко всем
частным критериям оптимальности применяется процедура нормализации. Это
позволяет получить безразмерный частный критерий оптимальности, эквивалентный
исходному, для дальнейшего использования в обобщенном критерии (3).
Рассмотрены три расчетных способа выбора весовых коэффициентов для
аддитивного критерия оптимальности: способ вычисления коэффициентов
относительного разброса частных критериев, теоретико-игровой способ,
пропорционально-разностный способ.
С помощью разработанной для ТТМ математической модели поиска
оптимального номера стационарного режима и программного продукта TTM_INFO
выполнены расчетные примеры для задачи стабилизации трехфазного напряжения.
В качестве исходных данных были взяты точки с суточных графиков изменения
напряжения на цеховой трансформаторной подстанции металлообрабатывающего
цеха ЗАО "Стромизмеритель" (г. Нижний Новгород). Построены карты
распределения режимов работы ТТМ в пространстве частных критериев
оптимальности, приведены гистограммы (рис. 4) и таблицы численных значений
целевой функции для разных способов расчета весовых коэффициентов.
9
На рис. 4 F1, F2, F3 – гистограммы целевой функции с весовыми
коэффициентами, полученными соответственно способом относительного разброса
частных критериев, теоретико-игровым способом и пропорционально-разностным
способом.
Выполненные по суточному графику изменения напряжения цехом расчеты
показали, что в результате оптимальной работы ТТМ осуществляется расчетное
снижение отклонений напряжения в среднем в 6 - 8 раз (рис. 5), а коэффициента
несимметрии по обратной последовательности – в среднем в 2 раза. Это
доказывает
практическую
эффективность
решения
задачи
оптимизации
предлагаемым методом.
Рис. 4. Гистограммы значений целевых функций F1, F2, F3
Рис. 5. Расчетная стабилизация напряжения UAB
В третьей главе разработана адаптация основного вычислительного
алгоритма функционирования ТТМ. Обоснован выбор микропроцессорных средств
для создания МПСУ ТТМ с требуемым быстродействием.
10
В качестве основного принципа разработки МПСУ принят метод неразрывного
проектирования и отладки аппаратных и программных средств. Проведен анализ
вычислительного алгоритма работы (аналитический этап) методом приближенного
расчета количества требуемых типовых и нетиповых операций на одном цикле
функционирования системы (рис. 6).
Старт
Инициализация оборудования и
настроек управляющей программы
Измерение входных параметров
(Измерительный этап)
Поиск оптимального статического
режима работы ТТМ
(Аналитический этап)
да
Текущий
режим
=
Оптимальный
режим
нет
Переключение из текущего режима
работы ТТМ в оптимальный
(Исполнительный этап)
Оптимальный режим становится
текущим режимом
Рис. 6. Алгоритм управления функциональными устройствами на базе ТТМ
Выявлено, что суммарное количество таких операций составляет 5103 - 104 , и
на их выполнение требуется значительное время.
Проведена экспериментальная оценка времени выполнения аналитического
этапа алгоритма управления ТТМ с помощью разработанной программы-теста на
ряде
различных
микропроцессорных
средств.
Гистограмма
результатов
эксперимента (рис. 7). показала, что для выполнения требований к МПСУ по
быстродействию (80 мс) необходимо применять микропроцессоры Intel Pentium III
500 МГц и более мощные.
Исследование выявило, что стоимость МПСУ на базе промышленных
компьютеров с мощными микропроцессорами, выполняющими полный вариант
аналитического этапа ТТМ за приемлемое время, является высокой (несколько
тысяч долларов). Показано, что при осуществлении собственной разработки МПСУ с
микроконтроллером ATMEL AT91M63200 на базе ЗАО "Стромизмеритель" стоимость
можно снизить в 8-10 раз, однако для обеспечения работы такой МПСУ в реальном
времени требуется адаптация вычислительного алгоритма работы системы.
Выполнена разработка адаптации вычислительного алгоритма. Ее суть
заключается во введении внешних ограничений на область измеряемых параметров,
дискретизации области измеряемых параметров с заданной степенью точности, а
также разделении во времени процесса вычислений и процесса выбора
11
оптимального режима. Показаны связанные с этим необходимые изменения
аппаратной части системы управления ТТМ.
Рис. 7. Результаты экспериментальной оценки быстродействия МПСУ с
неадаптированным алгоритмом управления
Разработаны два варианта решения задачи синтеза МПСУ реального времени
для ТТМ. Первый – на основе дорогостоящего мощного промышленного
компьютера, второй – недорогой на базе 32-х разрядного RISC микроконтроллера
AT91M63200. Приводится описание архитектуры и технических характеристик этого
микроконтроллера. Показана возможность решения поставленной задачи и на
других подобных микроконтроллерах. Создана программная реализация
адаптированного алгоритма управления стабилизатором трехфазного напряжения
на базе ТТМ, разделенная на два этапа (рис. 8).
1. Расчетно-моделирующий этап. Выполняется на мощном персональном
компьютере с помощью созданной автором программы TTM_INFO. Входными
параметрами являются допустимые диапазоны изменений линейных
напряжений и шаг дискретизации диапазонов. Выходными данными является
таблица номеров оптимальных стационарных режимов работы. Форматы
выходных данных: текстовый файл, удобный для анализа и дальнейшей
обработки пользователем (например, в программе Microsoft Excel), а также
файл в двоичном формате для дальнейшей загрузки в микропроцессорную
систему управления на базе AT91M63200.
2. Этап автономного управления стабилизатором в режиме реального времени.
Выполняется системой управления на базе микроконтроллера AT91M63200 по
программному алгоритму управления (рис. 6). Аналитический этап в режиме
реального времени выполняется путем считывания данных из загруженного
двоичного файла, полученного на предыдущем этапе.
Разработана новая МПСУ на основе микроконтроллера AT91M63200. Период
повторения МПСУ составил 44 мс, при прогнозируемой величине 80 мс. Период
12
повторения системы ТТМ с разработанной МПСУ составил 164 мс, при
прогнозируемой величине 200 мс, что подтверждает успешность выполнения
технических требований по быстродействию.
Внесение коррекции
Техническое задание
Пользовательский
анализ расчета
Расчетно-моделирующий
этап
ПК с ПО TTM_INFO
Результаты
(текстовые
файлы)
Результаты
(двоичные
файлы)
Инструментальная
ЭВМ
Результаты
(Проект программы управления
+
двоичные файлы данных)
Этап автономного управления
МПСУ на базе ATMEL AT91M63200
Силовая часть ТТМ
Рис. 8. Схема реализации адаптированного управляющего алгоритма
Выполнен анализ методов обеспечения бесперебойной отказоустойчивой
помехозащищенной
работы
МПСУ
в
условиях значительных
внешних
электромагнитных помех, наблюдаемых в производственных цехах. Это
обосновывает
возможность
применения
разработанного
устройства
в
промышленных условиях.
Построены сравнительные графики зависимости коэффициента использования
К(tН) (рис.9) для разработанной МПСУ ТТМ реального времени с адаптированным
алгоритмом аналитического этапа, с прогнозируемым быстродействием и с
неадаптированным (полным) алгоритмом аналитического этапа.
Отмечено, что при использовании адаптированного алгоритма в разработанной
МПСУ величина K  90% для большого числа электроприемников,
характеризующихся резкопеременными режимами энергопотребления (машины
контактной сварки, кузнечно-штамповочные машины, прокатные станы). Полученные
числовые и графические результаты доказывают, что созданная МПСУ с
адаптированным вычислительным алгоритмом может быть признана успешно
работающей в режиме реального времени для рассмотренных типов
электроприемников.
13
Рис. 9 Сравнительный график зависимости К от длительности tН
Четвертая
глава
посвящена
экспериментальным
исследованиям
функционирования разработанной МПСУ, проверки корректности базы данных
стационарных режимов работы ТТМ, оценки быстродействия адаптированного
алгоритма управления, корректности алгоритма оптимизации на базе критерия
аддитивной свертки, измерения длительности периода повторения комплекса ТТМ с
МПСУ.
Создан экспериментальный макет стабилизатора напряжения на базе ТТМ с
МПСУ. Обоснованы принципы проведения тестирования МПСУ. Отмечено, что
моделирование системы ТТМ с МПСУ и его результаты должны быть соотнесены с
законами теории подобия и моделирования. Приведены допущения, принятые при
создании экспериментального макета.
Выполнено описание экспериментального макета трехфазного стабилизатора
напряжения на базе ТТМ с МПСУ (рис. 10). Показаны алгоритмы сбора данных,
осуществляемые МПСУ. Отмечен список аварийных ситуаций.
Получены экспериментальные данные в виде таблиц измерений качества
выходного напряжения на всей области допустимых значений входного напряжения,
определяемого техническим заданием. Показаны осциллограммы коммутационных
токов через тиристорные ключи в динамических режимах работы ТТМ, при
переключении системы из одного стационарного режима в другой (рис. 11 и рис. 12).
Экспериментально исследованы базы данных стационарных и динамических
режимов работы ТТМ.
Отмечено, что для стационарных режимов экспериментальные данные совпали
с расчетными с погрешностью не превышающей 1%. Для экспериментального
макета с учетом допущений, принятых при моделировании, можно сказать, что
аварийные броски тока и длительные короткие замыкания коммутационных токов
через тиристорные ключи не были обнаружены.
14
HL
1
HL
HL
МПСУ
D28
2
3
HL
ВК3
D27
ИП
D29
ВК2
D26
ВК1
D25
TK
D16
TK
D13
TK
D10
TK
D7
TK
D4
TK
D1
TK
D17
TK
D14
TK
D11
TK
D8
TK
D5
TK
D2
TK
D18
TK
D15
TK
D12
TK
D9
TK
D6
TK
D3
TV
Рис. 10. Стенд для испытаний макета стабилизатора на базе ТТМ с МПСУ
(1 – Инструментальная ЭВМ; 2 – макет стабилизатора на базе ТТМ с МПСУ;
3 – осциллограф)
Рис. 11. Осциллограмма перехода
Рис. 12 Осциллограмма перехода
№-74  №0, этап 1
№-74  №0, этап 2
(1 – сигнал управления тиристором в
(1 – сигнал управления тиристором в
момент его выключения; 2 –
момент его выключения; 2 –
осциллограмма тока через отключаемый осциллограмма тока через отключаемый
тиристор)
тиристор)
Для более точной проверки требуется проводить испытания на натурной
модели системы ТТМ с МПСУ, отвечающей требованиям полного подобия.
Измеренное значение периода повторения макета трехфазного стабилизатора на
базе ТТМ с МПСУ составило 164 мс.
Полученные результаты свидетельствуют о работоспособности и корректности
алгоритма оптимизации на базе критерия аддитивной свертки, а также практической
эффективности применения адаптированного алгоритма управления.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований
позволил получить следующие результаты:
15
1.
2.
3.
4.
5.
16
На основании анализа режимов работы цеховых электроприемников,
характеризующихся резкопеременным энергопотреблением, обоснована
возможность управления ПКЭ в цеховых сетях с помощью ТТМ с современной
МПСУ в реальном времени.
Предложена целевая многокритериальная функция поиска оптимальных
режимов работы ТТМ в процессе управления ПКЭ на основе критерия
аддитивной свертки. Разработка реализована в программном продукте
TTM_INFO, с помощью которого проведен ряд сопоставительных расчетов.
Определено, что в результате оптимальной работы ТТМ для цеха
металлообработки
ЗАО
"Стромизмеритель"
(г.
Нижний
Новгород)
осуществляется снижение отклонений напряжения в среднем в 6 - 8 раз, а
коэффициента несимметрии по обратной последовательности – в среднем в 2
раза. Полученные результаты подтверждают эффективность применения ТТМ с
МПСУ для улучшения ПКЭ и разработанной для ТТМ математической
аддитивной модели оптимизации и способов выбора для неё весовых
коэффициентов.
Разработан специализированный алгоритм для микропроцессорной системы
управления трансформаторно-тиристорным модулем с целью расширения
круга доступных микропроцессорных средств для решения задачи управления в
режиме реального времени. 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, что может быть
признано успешной работой в реальном времени для таких электроприемников
как: машины контактной сварки, вытяжные прессы, прокатные станы, смесители
шихты. Разработан программный продукт TTM_PR, реализующий автономный
этап адаптированного алгоритма управления. Он содержит в себе необходимые
программные модули обработки данных и управления устройствами. Структура
TTM_PR имеет общий характер и может быть применена на различных типах
микропроцессорных средств.
Создан макет трехфазного стабилизатора напряжения на базе ТТМ с МПСУ.
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. Полученные результаты
свидетельствуют о вполне удовлетворительном соответствии теоретических и
экспериментальных данных.
Выполнен проект промышленного стабилизатора трехфазного напряжения на
базе ТТМ с МПСУ мощностью 400 кВА для автоматических дозирующих
смесительных линий составных цехов стекольной промышленности,
производимых ЗАО "Стромизмеритель" (г. Нижний Новгород).
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Ваганов С.А. Математическая модель ресурсо- и энергосберегающих схем
питания электроприемников различного функционального назначения /
Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Седьмая Междунар. науч.техн. конф. студентов и аспирантов: Тезисы докладов. В 3-х т. –М.:
Издательство МЭИ, 2001. Т.2. с.73
Ваганов С.А. Корректор мощности на базе трансформаторно-тиристорного
модуля / ХХ Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы
электроэнергетики": Тезисы докладов - НГТУ. Н. Новгород, 2001, с.53.
Ваганов С.А., Туманов И.М., Захаров И.А., Кузенко Е.Ю. Ресурсо- и
энергосберегающие схемы электропитания для электроприемников различного
функционального назначения. // III Международная (XIV Всероссийская)
конференция по автоматизированному электроприводу: Тезисы докладов Нижний Новгород, 2001, с. 219 – 221.
Свидетельство об официальной регистрации базы данных по стационарным
режимам работы трансформаторно-тиристорного модуля // Параметры
электроэнергии на выходных зажимах трансформаторно-тиристорного модуля
при различных режимах его работы /И.М. Туманов, С.А. Ваганов и др. № гос.
регистрации 2002620026 от 19.02.2002 г.
Ваганов С.А. Корректор мощности и стабилизатор напряжения на
трансформаторно-тиристорном модуле с микропроцессорной системой
управления / Тезисы докладов региональной научной студенческой
конференции по гуманитарным, естественным и техническим наукам/
Чебоксары, 2002. с. 383.
Ваганов С.А. Промышленный стабилизатор напряжения на трансформаторнотиристорном модуле с микропроцессорной системой управления / Будущее
технической науки Нижегородского региона // Региональный молодежный
научно-технический форум: Тезисы докладов –.: Издательство НГТУ, 2002.
с.145.
Ваганов С.А., Туманов И.М., Захаров И.А., Гребенников Д.В. Хранение и
обработка динамических процессов в регулирующем органе систем
электропитания / IV Всероссийская научно-техническая конференция
"Информационные технологии в электронике и электроэнергетике". Тезисы
докладов - Чебоксары: Изд. Чувашского университета, 2002, с.44
Ваганов С.А., Туманов И.М. Стабилизация и симметрирование трехфазного
напряжения на зажимах электроприемников с помощью трансформаторнотиристорных модулей / XXI Научно-техническая конференция "Актуальные
проблемы электроэнергетики". Нижний Новгород, НГТУ, 2002, с.55 – 57
Ваганов С.А. Использование трансформаторно-тиристорных модулей с
микропроцессорной системой управления в схемах электропитания различных
промышленных электроприемников / Электрооборудование промышленных
установок. Труды Нижегородского государственного технического университета.
/ Нижний Новгород, НГТУ, 2002, т.34, с.166 – 171
17
10. Ваганов С.А. Трансформаторно-тиристорные модули с микропроцессорным
управлением для построения систем электропитания приемников различного
функционального назначения / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика
// Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тезисы
докладов. В 3-х т. – М.: Издательство МЭИ, 2003. т.2. с.51
11. Ваганов С.А. Бесконтактный регулятор параметров качества электроэнергии на
базе трансформаторно-тиристорного модуля с микропроцессорной системой
управления / Будущее технической науки Нижегородского региона //
Региональный молодежный научно-технический форум: Тезисы докладов –
Издательство НГТУ, 2003. с.64.
12. Патент России №2209501, Способ стабилизации и регулирования параметров
электроэнергии в трехфазных электросетях и устройство для его
осуществления /И.М.Туманов, С.А. Ваганов и др. // 2003 г.
13. Ваганов С.А., Клевицкий С.В., Купреенко Д.А. Микропроцессорная система
управления бесконтактных систем электропитания на базе трансформаторнотиристорных модулей / XXII Научно-техническая конференция "Актуальные
проблемы электроэнергетики" Тезисы докладов - Нижний Новгород, НГТУ, 2004.
с. 50-51.
14. Ваганов С.А., Носов А.И., Гарбуз Е.Г. Бесконтактный трехфазный стабилизатор
линейных напряжений для трехпроводных сетей электроснабжения. /
Ежемесячный научно-технический и производственный журнал "Стекло и
керамика", ISSN 0131-9582, Москва, 2005, №4, с. 31-34.
15. Ваганов С.А. Стабилизация и симметрирование трехфазного напряжения на
зажимах электроприемников с помощью трансформаторно-тиристорных
модулей
/
VI
Всероссийская
научно-техническая
конференция
«Информационные технологии в электронике и электроэнергетике". Тезисы
докладов - Чебоксары: Изд. Чувашского университета, 2006, с. 8-10.
16. Ваганов С.А., Кириенко В.П. Применение трансформаторно-тиристорного
модуля с микропроцессорной системой управления при резкопеременном
режиме энергопотребления / XXV Научно-техническая конференция
"Актуальные проблемы электроэнергетики" - Нижний Новгород, НГТУ, 2006, с.
53 – 58.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору
принадлежат: расчеты /3, 4, 12, 16/, математические модели /8, 13/, алгоритмы
программ /7, 13, 14, 16/ и обобщения результатов /7, 8, 14/.
18