Повышение эффективности средств плавной коммунитации электроустановок в условиях критических нагрузок на предприятиях АПК

Современное предприятие агропромышленного комплекса (АПК) характеризуется все более широким внедрением промышленных методов хозяйственной деятельности. Увеличение степени автоматизации производства и переработки сельхозпродукции и широкое применение многочисленного электрического оборудования в быту и подсобных хозяйствах определяют и высокие современные темпы роста энергопотребления.

Наряду с этим, на предприятиях АПК возникают проблемы, связанные со слабым развитием инфраструктуры местных распределительных сетей сельскохозяйственных потребителей (СМЭС) — недостаточная мощность источников электроэнергии, значительные потери из-за высокой протяженности линий электропередач от распределительных подстанций до потребителей, неравномерность распределения нагрузки по фазам. Отчасти такая ситуация связана со взрывным характером роста энерговооруженности АПК в последние годы, что сложно было спрогнозировать в период проектирования и строительства СМЭС в предыдущие десятилетия. В дальнейшем для нагрузки, мощность которой соизмерима с мощностью источника, введено понятие «критической нагрузки» (КН). Следствием КН является низкое качество электроэнергии на стороне потребителя: высокочастотные шумы, провалы и выбросы напряжения, выходящие за пределы, допустимые ГОСТ 13 109–97 [27,132].

Следствием низкого качества электроэнергии являются как прямые убытки из-за нарушений технологических процессов, вызывающих снижение выхода годной продукции, из-за простоев, внеплановых ремонтов так и убытки от дополнительных капитальных затрат на замещение преждевременного выводимого из эксплуатации электрооборудования (ЭО).

Учеными в области применения электротехнологий в сельскохозяйственном производстве и управления качеством электроэнергии в распределительных сетях: Л. Г. Прищепом, И. Ф. Бородиным, Д. С. Стребковым,.

A.М.Башиловым, Ю. М. Жилинским, Л. П. Шичковым, В. С. Литвиновым,.

B.А.Козинским, А. К. Лямцовым, А. И. Учеваткиным, Л. П. Андриановой, Н. П. Кондратьевой, А. С. Степановым и другими разработаны теоретические основы эффективного использования электрической энергии и указаны экономичные способы повышения её качества.

В частности, наряду с применением пассивных корректирующих устройств на стороне трансформаторных подстанций признано эффективным использование средств плавной коммутации в составе электроустановок, что обеспечивает инвариантность рабочих режимов аппаратуры потребителя к неблагоприятным факторам МЭС и позволяет увеличить срок эксплуатации ЭО.

В связи с тем, что механические и реакторные устройства ограничения пусковых токов морально устарели и экономически неэффективны, а новый класс полупроводниковых ключей — ЮВТ-транзисторы — еще достаточно дорог, сохраняется интерес к схемотехническим решениям с использованием детально проработанных тиристорных устройств плавного пуска на классическом законе фазового управления и его модификациях, таким, например, как распространенный в промышленности тиристорный регулятор напряжения с синхронно-фазовым управлением.

Вместе с этим, анализ специальной литературы показал, что формирование новых функций регулирования, создание аппаратных средств контроля и диагностики параметров местной электрической сети (МЭС) позволяют создать конкуренцию новой схемотехнике при сравнимых технико-экономических характеристиках, что весьма ценно.

Таким образом, предлагаемое в работе техническое решение проблемы «последней мили», то есть улучшение качества электроэнергии в СМЭС на стороне 0,4 кВ и повышение технологических и экономических показателей работы различных электроустановок в условиях критической нагрузки, является актуальным. Не вызывает сомнений и актуальность разработки методов определения расчетных нагрузок на базе имитационного и математического моделирования, а также критериев диагностики и тестирования на наличие ЮН в той или иной МЭС. Исследования и разработки выполнялись автором в соответствии с комплексными темами НИС ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» (2000.2010гг.) в рамках государственной программы 0.51.21, задание 02 — «Разработать и внедрить новые методы и автоматизированные технические средства применения электрической энергии в технологических процессах сельскохозяйственного производства».

Цель настоящей работы состоит в научном обосновании и разработке средств плавной коммутации нагрузки потребителей на предприятиях АПК, обеспечивающих требуемые показатели качества электрической энергии в местных распределительных сетях сельскохозяйственных потребителей и позволяющих повысить надежность, экономичность и увеличить срок эксплуатации электроустановок.- в анализе имеющихся экспериментальных данных, построении адекватной математической модели, разработке законов регулирования устройств плавного пуска, разработке и внедрении недорогих малогабаритных устройств плавного включения электрической нагрузки и их применении совместно с существующей ПЗА электрооборудования различного назначения и в изучении возможности повышения технологической эффективности мощных ЭП с одновременным снижением расходов на их обслуживание.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— оценка различных способов плавной коммутации нагрузки в сетях переменного тока на основе анализа зарубежной и отечественной специальной литературы и исследование причин появления КН в МЭС/СМЭС;

— исследование свойств и характеристик МЭС на стороне низкого напряжения и специфики их воздействия на приемники электрической энергии, анализ значимых показателей качества электроэнергии для прикладных работ по диагностике и тестированию МЭС на наличие КН;

— разработка математической модели изменения нагрузки МЭС/СМЭС во времени, изучение модели, ее адекватности с учетом экспериментальных данных, разработка комплексного показателя качества МЭС/СМЭС и анализ эффективности фазового способа управления активной и активно-индуктивной нагрузкой в сетях переменного тока промышленной частоты применительно к тиристорам, разработка на его базе новой функции регулирования;

— аппаратная реализация нового класса коммутационных устройств на базе анализа экспериментальных и расчетно-математических данных с определением характеристик изделий в лабораторных условиях и в инфраструктуре аппаратуры реальных СМЭС;

— разработка технических требований на устройства плавного пуска, для преимущественного применения на объектах АПК и выработка рекомендаций и инструкций, обеспечивающих эффективное применение устройств плавной коммутации на производственных и бытовых объектах в СМЭС, подверженных КН.

Объектом исследования является система плавной коммутации электрооборудования и СМЭС, снабжающие эти потребители электрической энергией.

Предметом исследования является установление закономерностей изменения качественных показателей работы электроустановок (АД, ИО) по математическим, компьютерным и натурным моделям.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Теоретические исследования основаны на использовании методов вычислительной и прикладной математики, положений математической статистики и теории выбросов случайных процессов.

В экспериментальных исследованиях разработанных моделей и алгоритмов использовано математическое и имитационное моделирование электронных схем с использованием программных пакетов Electronic Workbench v.5.0,.

Accel 2000, проведен анализ накопленных статистических данных с помощью табличного редактора MS Excel 2000 и программного пакета Matlab, применены методы инженерных расчетов электрических цепей.

На защиту выносятся следующие положения:

— способ автоматического изменения фазового угла в тиристорном регуляторе на базе синтезированной функции регулирования и аппаратная реализация тиристорного устройства плавного пуска;

— результаты исследования динамических показателей СМЭС стандартными средствами измерений;

— зависимость качества СМЭС от наличия или отсутствия устройств корректировки;

— результаты лабораторных исследований и производственной эксплуатации с технико-экономической оценкой эффективности предлагаемых технических решений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Проведен сравнительный анализ и систематизация известных способов и устройств плавного пуска электроустановок и синтезировано устройство, реализующие оптимальные функции регулирования, приложение Е.

2. Предложена оригинальная схемотехническая реализация малогабаритного электронного блока плавного включения для работы совместно с существующей ПЗА. Разработаны технические требования на блоки плавного пуска, приложение Ж. Даны предложения по практическому использованию электронных блоков плавного включения нагрузки на объектах АПК.

3. Доказана актуальность проблемы качества электроэнергии для электрических сетей, в которых мощность потребителей соизмерима с мощностью источника — местных электрических сетей (МЭС) и введено понятие критической нагрузки (КН), соответствующее этому случаю.

4. Исследованы показатели качества и динамические характеристики местной электрической сети в условиях КН, закономерность изменения нагрузки МЭС переменного тока по времени.

5. Показана связь между способом коммутации и качеством электроэнергии и разработан комплексный показатель качества МЭС.

6. Создана математическая модель изменения нагрузки в МЭС на базе теории выбросов случайных процессов. Разработана функция регулирования, снижающая пиковые нагрузки, на основе математической модели и анализе реальной электрической сети в условиях КН.

7. Разработана и апробирована методика ускоренных ресурсных испытаний электрооборудования на примере мощных облучательных установок.

Получено экспериментальное подтверждение технологической и экономической эффективности применения разработки на основе опытно-промышленной эксплуатации.

включений.

Обычным приемом для проведения ресурсных испытаний в сокращенные сроки является увеличение их «жесткости» за счет значительного превышения уровня, одного или нескольких режимов эксплуатации над нормально или предельно допустимым, например, при повышенном напряжении питания, увеличенной влажности воздуха, пониженном атмосферном давлении. а) б).

Рисунок 4.5 — а) схема установки для ресурсных испытаний ламп накаливанияб) блоки плавного пуска для каналов 1.3.

Известен и широко применяется способ циклирования или приложения знакопеременных нагрузок, при этом за счет частого чередования переходных процессов происходит интенсивное «старение» изделия и в сокращенные сроки имитируется полный срок службы в нормальных условиях.

Второй подход является предпочтительным, поскольку в наибольшей степени воспроизводит физические процессы в СМЭС. Кроме того, повышение питающего напряжения для существенного сокращения срока испытаний не применялось, поскольку этот прием снизил бы достоверность результатов для каналов, защищенных электронными устройствами плавной коммутации.

Режим частых включений достаточно хорошо разработан и апробирован в научной и производственной практике, в частности в трудах д.т.н., проф. В. С. Литвинова, г. Москва, к.т.н. Н. П. Киселевой, г. Саранск и публикациях ВНИИИС, г. Саранск. [31,32].

Оригинальная авторская методика представляет собой модификацию режима частых включений, опирается на труды указанных авторов и дополнительно учитывает влияние параметров питающего напряжениячастоты включенийформы, типа тела накала (спирали) и, способа ее крепления, а также пространственное расположения колбы лампы. Существенным отличием авторской методики является несимметричность периодов коммутации, продолжительность фазы «включено» на 40 .50% превышает продолжительность фазы «выключено». Таким образом, обеспечивалось гарантированное время для выхода на номинальный уровень напряжения для каналов с разным темпом плавной коммутации и вместе с тем — достаточное время для охлаждения ламп в период паузы.

4.2.2 Описание экспериментальной установки и анализ протокола испытаний.

На установке, описанной в п. 4.2, с помощью прибора Н393 были экспериментально получены вольт-амперные характеристики (ВАХ) устройств плавного пуска.

Всего было задействовано 4 канала с группами ламп накаливания мощностью 250 Вт каждая, по 10 ламп в канале для усреднения результата:

— канал № 1 — авторское устройство плавного пуска с высоким темпом коммутации;

— канал № 2 — авторское устройство плавного пуска с низким темпом коммутации;

— канал № 3 — контрольное устройство плавного пуска на ИМС КР1182ПМ1 в модификации автора;

— канал № 4 — контрольный, лампы накаливания с прямой коммутацией.

Экспериментально полученные осциллограммы приведены на рисунках.

4.6 и 4.8, а их расшифровки — на рисунках 4.7 и 4.9 соответственно.

Анализ осциллограмм показывает следующее:

При прямом пуске (канал № 4) напряжение на лампе накаливания достигает значения 0,9 ином, за 0,7−1 с, а полное напряжение сети — за 5−6 с.

При коммутации лампы через контрольное устройство (канал № 3) уровень 0,9 ином, достигается за 2,5−3 с, но полное напряжение сети в нагрузку так и не подается, что связано со схемотехническими особенностями — не предусмотрен режим блокировки.

При анализе осциллограмм полученных на каналах № 2 и № 3 отчетливо видны 3 этапа коммутации:

1-й — до уровня 120−150 В, что соответствует 0,7 ином., длительностью 34 с. В это время через спираль лампы проходит темновой ток и происходит предварительный разогрев тела накала (ТН) лампы;

2-й — от 0,7 ином, до уровня 0,9 ином., длительностью от 1,5 с (высокий темп коммутации) до 4 с (низкий темп коммутации). ТН достаточно нагрето, чтобы после блокировки регулятора в начале 2-го этапа самостоятельно участвовать в ограничении тока;

Р/Х 1676 ЛПГБПЮО Г0СТ7826—75 у-^.

АФДБ г.

— а.

— х.

Рисунок 4.6 — ВАХ канала 1(справа) и канала и 4 (слева) — «лампа /0Ч н.

•1.

13 р

4&->м «.

Рисунок 4.7 — Расшифровка ВАХ каналов 1 (справа) и 4 (слева).

Рисунок 4.8 — ВАХ Канала 2 (слева) и канала 3 (справа).

Рисунок 4.9 — Расшифровка ВАХ каналов 2 (слева) и 3 (справа).

3-й — от 0,9 ином, до полного напряжения сети за 5−7 с. На этом этапе узел регулирования сблокирован и длительность выхода на установившийся режим определяется только физическими свойствами ТН лампы и кристалла тиристора (быстродействие, максимальный фазовый угол). КПД регуляторов по напряжению составляет 98−99% и может регулироваться в сторону снижения, что важно при постоянном повышенном напряжении для потребителей вблизи распределительных подстанций.

Одновременно с помощью программно-аппаратного комплекса ЛА-2М2 (аналого-цифровой запоминающий мультиметр, осциллограф и спектроанализатор) были измерены показатели синусоидальности и гармонические составляющие напряжения на нагрузке в каналах 1 и 2.

Из осциллограмм на рисунках 4.10 и 4.11 видно, что тиристорный фазовый регулятор вносит в сеть искажения, которые, впрочем, не выходят за нормально допустимые пределы. Тем не менее, по результатам анализа были предприняты стандартные схемотехнические меры для компенсации отрицательного влияния регулятора на сеть — дополнительно введены фильтрующие резистивно-емкостные элементы.

Согласно техническим условиям ГОСТ 2239–79, для ламп накаливания общего назначения устанавливается 50% срок службы 1000 часов. Это означает, что по прошествии нормативного времени в рабочем состоянии должны быть 50% ламп, рисунок 4.12 [122].

За период проведения эксперимента на описанной установке с 17.05.01 по 19.02.02 средняя наработка до перегорания первой контрольной лампы составила 646 часов 24 минуты, что практически соответствует нормативным 50% срока службы значениям для ламп типа Б, Б О, Г. В каналах 2 и 1, снабженных авторскими устройствами плавной коммутации с разным темпом нарастания рабочего тока, средний срок службы ламп составил 1219 часов 05 мин. и 1918 часов 32 мин. соответственно, рисунок 4.13. Протокол ресурсных испытаний ламп приведен в приложении Г.

Макс =.

Среди = СКО иэфф =,.

Рисунок 4.10 — Искажение синусоиды фазовым регулятором до доработки.

Рисунок 4.11 — Детализация искаженного участка синусоиды до доработки регулятора и, Флн, %.

100 50.

Рисунок 4.12 — Снижение количества годных ламп N и светового потока Флн в течение нормативного срока службы.

Таким образом, в лабораторных условиях получено объективное свидетельство эффективности применения устройств плавной коммутации для продления срока службы ламп накаливания, при этом увеличение срока эксплуатации составило от 22% до 92%. Конечно, такой показатель трудно воспроизвести в условиях реального хозяйственного объекта, где присутствует комплекс возмущающих факторов электрического (нестабильность сети), физического (вибрация), химического (коррозия) характера и пр. Поэтому была проведена опытно-промышленная эксплуатация.

Т %ч срок службы часов.

2000 1500 Н 1000 500 -I.

Ш прямой пуск? плавный пуск плавный пуск прямой пуск.

4−2 каналы.

Рисунок 4.13 — Сравнительные диаграммы срока службы ламп с прямым пуском (передний ряд) и с плавным пуском (задний ряд).

4.3 Опытно-промышленная эксплуатации в составе облучательных систем на объектах АПК.

В 2000 г. на ГУЛ «Птицефабрика «Вараксино» Завьяловского района УР была введена в опытную эксплуатацию автоматизированная система управления системами освещения птичников на базе автоматических тиристорных пускателей-регуляторов со схемотехническим решением автора. Эксплуатация в течение 2000;2001 гг. показала эффективность этого мероприятия: в оборудованном птичнике отмечено снижение пульсации сетевого напряжения на 10%, увеличение ресурса ламп накаливания типа Б230−240−100−1 на 10−12%. Кроме того, в этом птичнике отмечено увеличение продуктивности кур-несушек на 2−3%. Другим объектом, где в 2001 г. проходила опытную эксплуатацию описанная система, является СПК «Туклинский» Увинского района УР. При этом также отмечено снижение пульсации сетевого напряжения в маточных корпусах №№ 1−5 на 8−10%, увеличение ресурса ламп накаливания типа Б235−245−150−2 на 10−12%.

Соответствующие акты внедрения приведены в приложении Д.

4.4 Оценка экономической эффективности внедрения систем плавной коммутации на предприятиях АПК.

4.4.1 Расчет экономической эффективности по методу приведенных затрат.

Для сравнения использовались два способа включения системы. освещения батареи птичника на 20 000 голов: прямой пуск и плавный пуск по авторской схеме:

Приведенные затраты 3 определялись по формуле (32) в ценах 2008 г: 3 = К-Ен + С3, (32) где К — капитальные вложения, руб.;

Ен — нормативный коэффициент, Ен = 0,15;

С3 — эксплуатационные затраты, руб.

Эксплуатационные затраты С3 определяются по формуле: где Сэ — стоимость электроэнергии, руб./кВт-часСа — амортизационные отчисленияСзпстоимость заработной платы, руб.- Стрстоимость текущего ремонта, руб.- Спр прочие эксплуатационные расходы, руб.

Главные составляющие эксплуатационных затрат — стоимость электроэнергии и амортизационные отчисления.

Учтена электрическая энергия, используемая на режимах пуска и в рабочих режимах.

Результаты расчета приведенных затрат показаны в таблице 4. Из таблицы 4 видно, что при использовании авторского способа плавного пуска в сравнении с прямым пуском приведенные затраты в расчете на одну батарею уменьшились на 8,9% или 473,74 руб., а эксплуатационные расходы уменьшились яг. 17,6% или 647,80 руб.

Срок (период) окупаемости — это время от начала реализации инвестиционного проекта до момента, когда первоначальные инвестиционные вложения и другие затраты, связанные с реализацией проекта, покрываются суммарными результатами от его осуществления. Срок окупаемости рассчитывается по формуле (33):

4.4.2 Расчет срока окупаемости.

Ток = К/(С3+Д),.

33) где.

К — капитальные вложения, руб.;