Обеспечение электромагнитной совместимости в системах электроснабжения промышленных предприятий с электроустановками nиндукционного нагрева

Актуальность проблемы. В настоящее время в РФ широко используются
электроустановки индукционного нагрева (ЭИН) для поверхностной закалки,
гибки труб, высокочастотной пайки и т.д. Принцип индукционного нагрева
основан на создании электромагнитного поля высокой частоты, которое
индуцирует в нагреваемом теле вихревые токи. Для создания индуцированных
токов используются высокочастотные генераторы на базе статических силовых
полупроводниковых преобразователей. В зависимости от вида
электротехнологической нагрузки применяются статические преобразователи
различной конфигурации и построенные на разнообразной элементной базе.
Статические полупроводниковые преобразователи являются генераторами
высших гармоник тока и напряжения в электрическую сеть, входящую в состав
системы электроснабжения промышленного предприятия. В связи с этим особую
значимость имеют проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) как
способности технических средств нормально функционировать в условиях
электромагнитных воздействий, не создавая при этом недопустимых помех для
других технических средств.
Проблеме ЭМС в системах электроснабжения промышленных предприятий
посвящены работы российских и зарубежных ученых: Шваб А., Бадер М.П.,
Хабигер Э., Вагин Г.Я., Жежеленко И.В., Железко Ю.С, Аррилага Д. и др. В этих
трудах установлена природа генерирования высших гармоник в питающую сеть,
влияние высших гармоник на элементы сети и предложены средства для их
компенсации. Особенности работы установок индукционного нагрева, такие как
различные режимы нагрева заготовок, широкий диапазон изменения мощности
нагрева в зависимости от геометрических размеров заготовок, не позволяют
автоматически применять полученные решения для оценки ЭМС в электрических
сетях, «запитывающих» такие установки. ЭИН могут быть построены с
применением различных типов полупроводниковых преобразователей токов и
напряжений, но все они относятся к потребителям с нелинейными вольт-
амперными характеристиками и, тем самым, являются генераторами высших
гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения промышленных
предприятий.
Диссертационные работы Довгуна В.П., Лютаревича А.Г., Боярской Н.П.,
Темербаева С.А., Коваль А.А. в разной степени посвящены изучению систем
управления активными и гибридными фильтрокомпенсирующими устройствами.
Авторы сходятся во мнении, что активные и гибридные фильтры целесообразно
применять для компенсации высших гармоник тока и напряжения нелинейных
электроприемников с широким диапазоном нагрузок. Перспективным
направлением компенсации высших гармоник тока и напряжения в сети является
использование ГПФ.
Таким образом, исследования в области обеспечения ЭМС в системах
электроснабжения промышленных предприятий с электроустановками
индукционного нагрева (СЭПП с ЭИН) являются актуальными.
Цель работы: обеспечение электромагнитной совместимости в системах
электроснабжения промышленных предприятий путем компенсации токов
искажения с применением гибридных параллельных фильтров с системой
управления на базе нечеткого вывода (на примере трубогибочного стана УЗТМ-465).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
основные задачи:
1. Анализ электроустановок индукционного нагрева как электроприемников
с нелинейными вольт-амперными характеристиками, генерирующих в систему
электроснабжения промышленных предприятий высшие гармонических
составляющие токов и напряжений.
2. Анализ существующих способов компенсации высших гармонических
составляющих тока и напряжения для обеспечения электромагнитной
совместимости электроприемников с нелинейными вольт-амперными
характеристиками в системах электроснабжения промышленных предприятий.
3. Экспериментальное исследование гармонического состава напряжения
сети и тока в питающей сети электроснабжения, потребляемого
электроустановками индукционного нагрева, для различных технологических
процессов гибки труб.
4. Разработка имитационных моделей систем электроснабжения
промышленных предприятий для оценки показателей качества электроэнергии,
характеризующих электромагнитную совместимость в системе электроснабжения
электроустановок индукционного нагрева.
5. Обоснование структуры и конфигурации элементов фаззи-регулятора в
составе системы управления гибридного параллельного фильтра.
6. Разработка алгоритма формирования массива нечетких правил как
структурного элемента фаззи-регулятора в составе системы управления
гибридного параллельного фильтра.
7. Сравнительная оценка эффективности использования гибридного
параллельного фильтра с разработанной системой управления на базе фаззи-
регулятора в системах электроснабжения промышленных предприятий с
электроустановками индукционного нагрева.
Объектом исследования являются системы электроснабжения
промышленных предприятий с мощными электроприемниками с нелинейными
вольт-амперными характеристиками электроустановок индукционного нагрева.
Предметом исследования являются средства обеспечения электромагнитной
совместимости в системах электроснабжения промышленных предприятий.
Методы исследований. При решении поставленных задач были
использованы основные положения теории индукционного нагрева,
теоретической электротехники, методы расчетов и построения схем замещения
систем электроснабжения, теория вероятностей и математической статистики и
теория нечеткого вывода, элементы современной экономической теории.
Исследование электромагнитной совместимости в системах электроснабжения
промышленных предприятий проводилось на основе имитационного
моделирования с помощью современного программного обеспечения. Для
подтверждения оценки электромагнитной совместимости в системах
электроснабжения промышленных предприятий, полученной в результате
теоретических исследований, проведены экспериментальные исследования на
объекте с помощью поверенных сертифицированных средств измерений.
Научная новизна заключается в том, что впервые:
1. Экспериментально установлен характер изменения напряжений и токов
высших гармоник, генерируемых в сеть электроустановкой индукционного
нагрева, в зависимости от параметров технологического процесса гибки труб на
примере трубогибочного стана УЗТМ-465.
2. Сформирована база нечетких правил для трех входных и одной выходной
лингвистических переменных на основании статистического анализа режимов
работы электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками
электроустановки индукционного нагрева, позволяющая получить выходной
сигнал фаззи-регулятора в системе управления активным фильтром.
3. Разработан алгоритм получения задающего сигнала системы управления
активной части гибридного параллельного фильтра, позволяющий реализовать
управление переключением ключей инвертора посредством сравнения опорного
пилообразного сигнала опорного и выходного сигнала фаззи-регулятора.
4. Обоснована возможность применения гибридного фильтра, состоящего из
резонансного пассивного фильтра пятой гармоники и параллельного активного
фильтра со свойствами источника несинусоидального тока, для компенсации
высших гармоник тока в системе электроснабжения электроустановки
индукционного нагрева на примере трубогибочного стана УЗТМ-465.
Практическая значимость:
1. Программно реализован алгоритм определения параметров схемы
замещения системы «индуктор – нагреваемое тело» и углов управления
выпрямителя и инвертора в составе преобразователя частоты электроустановки
индукционного нагрева.
2. Разработана имитационная модель узла нагрузки системы электроснабжения
электроустановки индукционного нагрева в составе трубогибочного стана УЗТМ-465
с учетом электроприемников с нелинейными вольт-амперными
характеристиками.
3. Разработанные база правил нечеткого вывода и структура системы
управления гибридным параллельным фильтром с применением фаззи-регулятора
могут быть использованы в различных отраслях промышленности в системах
электроснабжения электроустановок индукционного нагрева для компенсации
высших гармоник тока и напряжения.
4. Средствами языка программирования Pascal синтезирован нечеткий
регулятор, на базе которого осуществляется получение управляющего сигнала в
систему упраления автономного инвертора напряжения в составе активной части
гибридного параллельного фильтра.
Практическая значимость полученных результатов подтверждена
свидетельством регистрации программы для ЭВМ (№ 2015613018), актом
внедрения в производство соединительных элементов трубопроводов на ООО
«Белэнергомаш – БЗЭМ» (приложение 2 и приложение 3). Результаты научных
исследований могут быть использованы в учебном процессе в дисциплинах,
читаемых для магистров направления 140400 «Электроэнергетика и
электротехника» специальности 140400.68.04 «Энергосбережение и
энергоэффективность».
Реализация результатов работы. Результаты диссертационного
исследования приняты к использованию в производстве соединительных
элементов трубопроводов на ООО «Белэнергомаш – БЗЭМ», что подтверждено
актом внедрения.
На защиту выносится положения, составляющие научную новизну работы,
а также алгоритм получения управляющего воздействия для гибридного
параллельного фильтра на базе нечеткого вывода.
Личный вклад автора. Постановка задач научных исследований и их
решение, разработка виртуальной модели узла нагрузки, структуры системы
управления гибридным параллельным фильтром и проведение измерений на
объекте принадлежат автору. Личный вклад в каждой работе, опубликованной в
соавторстве, описывается следующим образом:
[40] – выполнение имитационного моделирования и экспериментальных
измерений, анализ полученных результатов;
[6, 27, 28, 49, 76, 77] – обзор литературы по теме статьи, поиск и анализ
информации по объекту исследования, разработка методики расчетов;
[55] – разработка программы проведения экспериментальных измерений,
анализ полученных результатов.
Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечивается
корректным использованием положений теоретической электротехники, теории
нечеткого вывода, теории вероятностей и математической статистики и методов
расчета и построения схем замещения систем электроснабжения.
Экспериментальные исследования проводились с использованием приборов и
оборудования, поверенного и сертифицированного для соответствующих
измерений.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на: II Международной научно-практической
конференции «Современная наука: теория и практика», г. Ставрополь, 2011 год;
Международной молодежной научной конференции «Поколение будущего:
взгляд молодых ученых», г. Курск, 14-20 ноября 2012 г; X Международной
научно-практической конференции «Современные инструментальные системы,
информационные технологии и инновации», Курск, 19-23 марта 2013 г; XVI
Международной научно-практической конференции “Фундаментальные и
прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в
промышленности и экономике”, г. Санкт-Петербург, 5-6 декабря 2013 г;
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс», г. Губкин, 10
апреля 2014 г; Международной научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых «Энергетика и энергоэффективные технологии», г.