ЕЛЕКТРОТЕХНІКА ТА...

Запорізький національний технічний університет

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА ТА

ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА

НАУКОВИЙ ЖУРНАЛ

Виходить двічі на рік

№ 1’2014Заснований у травні 1999 року.

Засновник і видавець: Запорізький національний технічний університет

Запоріжжя ЗНТУ2014

ISSN 1607–6761Постановою президії ВАК України №1-05/1 від 10.02.2010 р. журнал «Електротехніка та електроенергетика»

(скорочена назва – E&E), який видається з 1999 року, включений до переліку наукових фахових видань України, вяких можуть публікуватися результати дисертаційних робіт на здобуття наукових ступенів доктора і кандидататехнічних наук.

Інтернет-сторінка журналу: http://journal.zntu.edu.ua/et/index.php?page=index .Журнал реферується або індексується міжнародними базами INSPEC, Index Copernicus, EBSCO, Google

Scholar, ULRICH’S, РИНЦ. Електронна копія журналу розміщена на сайті Національної бібліотеки України іменіВ. І. Вернадського НАН України у розділі «Наукова періодика України» за адресою:http://nbuv.gov.ua/portal/ .

Журнал розповсюджується за Каталогом періодичних видань України (передплатний індекс – 22913).

Науковий журнал друкує наукові праці, теоретичні розробки, довідкові матеріали про розробки підприємств,вищих навчальних закладів, НДІ у галузі електротехніки, електроенергетики у відповідності з рубриками:

1. Електротехніка.2. Електроенергетика.

РЕДАКЦІЙНА КОЛЕГІЯ

Головний редактор д-р техн.наук Орловський І. А.Заст. гол. редактора канд. техн. наук Тиховод С. М.

Рекомендовано до видання Вченою радою Запорізького національного технічного університету,протокол № 11 від 25.06.2014 року.

Рукописи проходять незалежне рецензування із залученням провідних фахівців, за результатами якогоредакційна колегія приймає рішення про опублікування. У разі невідповідності матеріали не повертаютьсяавторові.

Адреса редакції: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.Тел.: (061) 7–698–296, факс: (061) 764–21–41.E-mail: [email protected]

© Запорізький національний технічний університет, 2014

д-р техн. наук Бекбаєв А. Б., Казахстан,д-р техн. наук Оніщенко Г. Б., Росія,д-р техн. наук Савін Л. О., Росія,д-р техн. наук Урбаняк В., Польща,д-р техн. наук Чунашвілі Б. М., Грузія,д-р техн. наук Андрієнко П. Д., Україна,д-р техн. наук Биковський О. Г., Україна,д-р техн. наук Зіновкін В. В., Україна,д-р техн. наук Кириленко O. В., Україна,д-р техн. наук Клепіков В. Б., Україна,

д-р фіз.-мат. наук Корніч Г. В., Україна,канд. техн. наук Метельський В. П., Україна,д-р фіз.-мат. наук Онуфрієнко В. М., Україна,д-р техн. наук Пересада С. М., Україна,д-р техн. наук Півняк Г. Г., Україна,д-р техн. наук Піза Д. М., Україна,д-р техн. наук Потапенко Є. М., Україна,д-р техн. наук Пуйло Г. В., Україна,канд. техн. наук Яримбаш С. Т., Україна.

Члени редколегії:

3

ЗМІСТ

І ЕЛЕКТРОТЕХНІКА

ІІ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА

Ярымбаш Д. С.ВЛИЯНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЗАГОТОВОК ЭЛЕКТРОДОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙМОЩНОСТИ В КЕРНЕ ПЕЧИ АЧЕСОНА ..................................................................................................... 5

Власенко Р. В., Бялобржеський О. В.АНАЛІЗ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ТРИФАЗНОМУ СИЛОВОМУ АКТИВНОМУ ФІЛЬТРІ ЗВИКОРИСТАННЯМ СПЕКТРАЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ......................................................................... 12

Міщенко Т. М.ПЕРСПЕКТИВИ СХЕМОТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ І МОДЕЛЮВАННЯ ПІДСИСТЕМ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ТЯГИ ПРИВИСОКОШВИДКІСНОМУ РУСІ ПОЇЗДІВ .................................................................................................... 19

Трушевський В. Е.ЗАСТОСУВАННЯ АВТОМАТИЧНИХ СТРІЛОК ТРОЛЕЙБУСУ ЯК ДЕТЕКТОРІВ В СИСТЕМАХСВІТЛОФОРНОГО АВТОРЕГУЛЮВАННЯ ................................................................................................. 29

Коцур М. И.ОСОБЕННОСТИ УДАРНОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СМОДИФИЦИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЧАСТЫХПУСКОВ .................................................................................................................................................... 32

Ершов А. В., Зеленина Е. А.КОНВЕКТИВНЫЙ И ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПЛАВЛЕНИИ ПРОВОЛОКИ В СТРУЕ ДУГОВОЙПЛАЗМЫ ................................................................................................................................................... 37

Андриенко П. Д., Сахно А. А., Конограй С. П., Спица А. Г., Скрупская Л. С.ОСОБЕННОСТИ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВНОЙ ИЗОЛЯЦИИВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ И ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА ................................................................ 43

Крисан Ю. O.МОДЕРНІЗАЦІЯ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДОСЛІДЖЕННЯ АСИНХРОННОГОЕЛЕКТРОПРИВОДА .................................................................................................................................. 49

Кулагін Д. О.ВИЗНАЧЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ІНДУКТИВНОСТЕЙ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА З УРАХУВАННЯМПРОЦЕСІВ НАСИЧЕННЯ .......................................................................................................................... 55

Сивокобыленко В.Ф., Деркачев С. В.СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПУСКОВЫХ ОРГАНОВ БАВР В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ .................................................................................................................. 61

Ткаченко С. Н.ЭНЕРГОСИСТЕМА БУДУЩЕГО. КОНЦЕПЦИЯ SMART GRID. СПЕЦИФИКА РЕАЛИЗАЦИИНА УКРАИНЕ ............................................................................................................................................. 68

Ярымбаш Д. С., Даус Ю. В.ОСОБЕННОСТИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ПРИПРОЕКТИРОВАНИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ .......................................................................... 74

Немудрый И. Ю.ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИВ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ С АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ МУЛЬТИПЛИКАЦИЕЙ ................. 79

4 ISSN 1607–6761. Електротехніка та електроенергетика. 2014. № 1

CONTENTS

І ЕLЕCТRОТЕCHNICS

ІІ ЕLЕCTROENERGETICS

Yarymbash D. S.INFLUENCE OF THE ELECTRODES BLANKS LOCATION ON THE ELECTRIC HEATING POWERDISTRIBUTION IN THE ACHESON FURNACES CORE................................................................................5

Vlasenko R. V., Bialobrzeski O. V.THE ANALYSIS OF ENERGY PROCESSES IN THREE-PHASE ACTIVE POWER FILTER USING SPECTRALMODELING............................................................................................................................................12

Mishchenko T. M.THE PROSPECTS OF THE TECHNICAL SOLUTIONS AND MODELING SYSTEMS OF ELECTRIC TRACTIONIN HIGH-SPEED TRAINS........................................................................................................................19

Trushevsky V. E.APPLICATION OF AUTOMATIC SPEARS OF THE TROLLEY BUS AS DETECTORS IN AUTOREGULATIONTRAFFIC-LIGHT SYSTEMS.....................................................................................................................29

Kotsur M.FEATURES OF THE OF THERMAL EFFECT IMPACT ON THE ASYNCHRONOUS MOTOR WITH THEMODIFIED PULSE CONTROL SYSTEM IN CONDITIONS OF FREQUENT STARTS.....................................32

Yershov A., Zelenina E.CONVECTIVE AND RADIATIVE HEAT TRANSFER DURING MELTING WIRE IN THE FLOW OF PLASMAARC.......................................................................................................................................................37

Andrienko P. D., Sakhno A. A., Konogray S. P., Spitsa A. G., Skrupskaya L. S.CHARACTERISTICS OF MONITORING CONDITION OF MAIN INSULATION OF HIGH-VOLTAGE BUSHINGSAND CURRENT TRANSFORMERS..........................................................................................................43

Krysan Yu.MODERNIZATION OF LABORATORY STAND OF ASYNHRONOUS ELECTRIC DRIVE RESEARCH.............49

Kulagin D. O.DEFINITION OF DYNAMIC INDUCTANCES OF THE ASYNCHRONOUS ENGINE WITH REGARD TOPROCESSES OF SATURATION..............................................................................................................55

Sivokobilenko V.F., Derkachov S.V.METHOD FOR INCREASING OF FAST-ACTING AUTOMATIC TRANSFER SWITCH....................................61

Tkachenko S. N.POWER SYSTEM OF THE FUTURE. THE CONCEPT OF SMART GRID. SPECIFICITY OF REALIZATION INUKRAINE...............................................................................................................................................68

Yarymbash D. S., Daus Y. V.SOLAR RADIATION INTENSITY IDENTIFICATION FEATURES FOR SOLAR POWER STATIONSDESIGNING...........................................................................................................................................74

Nemudry I. Y.IMPROVEMENT OF THE ENERGY CONVERSION EFFICIENCY IN WIND POWER EQUIPMENT WITH ANAERODYNAMIC ANIMATION...................................................................................................................79

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА

5

I. ЕЛЕКТРОТЕХНІКА

Ярымбаш Д. С., 2014

УДК 621.365.32

Ярымбаш Д. С.Канд. техн. наук, доцент, Запорожский национальный технический университет, Украина, E-mail: [email protected]

ВЛИЯНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЗАГОТОВОК ЭЛЕКТРОДОВ НАРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ В КЕРНЕ ПЕЧИ

АЧЕСОНАПредлагается обладающая высокой точностью и эффективностью численной реализации 3D модель элек-

тромагнитных и термоэлектрических полей в керне печи Ачесона постоянного и переменного тока, позволя-ющая учесть особенности конструкции печи и боковых шинных пакетов, пространственное размещение заго-товок электродов в токопроводящей пересыпке керна, температурные зависимости электромагнитных итеплофизических свойств материалов, а также технологические режимы графитации. Выполнен анализпространственного распределения удельной мощности тепловыделения в керне при вертикальном и горизон-тальном расположении заготовок электродов в керне.

Ключевые слова: математическая модель, электромагнитное поле, термоэлектрическое поле, печь Ачесо-на, постоянный ток, переменный ток, заготовки электродов, мощность тепловыделения.

В отечественной электродной промышленности дляпроизводства продукции качества Ultra High Power (UHP)используются печи графитации Ачесона (ПГ), которыеотносятся к группе электрических печей сопротивленияпрямого нагрева. Энергоемкость процесса графитациидостигает 7…8 МВт⋅часов на тонну электродной продук-ции [1, 2]. Характерными особенностями графитацииАчесона являются высокие перепады температур, кото-рые определяются распределением удельной мощностинагрева в объеме керна и способствуют трещинообра-зованию в заготовках электродов. Это накладывает огра-ничение на интенсивность ввода мощности и, следова-тельно, разогрева керна, что приводит к росту продол-жительности технологического процесса и затрат элект-роэнергии для компенсации тепловых потерь в окружа-ющую среду.

Недостаточная изученность механизмов распределе-ния активной мощности, особенностей нагрева и фор-мирования температурного поля керна ПГ в зависимос-ти от расположения заготовок электродов, электричес-ких, магнитных и теплофизических свойств материаловкомпонентов керна, ограничивают возможности даль-нейшего повышения энергоэффективности технологи-ческого процесса графитации.

При исследовании электротепловых процессов ши-роко используются экспериментальные, аналитические,численные методы моделирования и их комбинации.В известных моделях термоэлектрических процессов дляграфитации постоянным током применяются сопряжен-ные системы дифференциальных уравнений стационар-ной электропроводности и нестационарной теплопро-водности для расчетного объемного элемента керна ПГ[6]. Этот элемент располагается между вертикальнымиплоскостями, одна из которых проходит через оси заго-

©

товок вертикального ряда, а другая – посередине бли-жайшей междурядной пересыпки. Поскольку его длинане превышает 3…4 % от длины керна печи, то он не ото-бражает в достаточной мере особенности конструктив-ного строения ПГ, а допущение о постоянстве электри-ческих потенциалов на граничных плоскостях объемно-го элемента керна, не соответствует реальной картинеэлектрического поля [7]. Кроме того, термоэлектричес-кая модель [6] не позволяет исследовать электромагнит-ные и электротепловые процессы графитации заготовокэлектродов переменным током. Она не обеспечиваеттребуемую точность и достоверность расчетов объем-ного распределения удельной электрической мощностив керне и графитируемых заготовках электродов, так какне учитывает особенности электромагнитных и темпе-ратурных полей в торцевых и внутренних зонах керна,влияние токов в боковых шинных пакетах, экранирую-щие эффекты от стального кожуха.

В мировой практике в ПГ Ачесона используется каквертикально-поперечная, так и горизонтально-попереч-ная укладка заготовок электродов [1, 2]. Однако, в насто-ящее время достоверных данных о влиянии способов ук-ладки на рациональное распределение удельной тепло-вой мощности в объеме керна ПГ нет.

Настоятельная потребность в разработке техничес-ких решений, обеспечивающих современные требова-ния энергоэффективности технологического процессаграфитации и UHP уровень качества продукции, кото-рая обуславливает актуальность создания достоверныхкорректно сформулированных сопряженных электромаг-нитных, электротепловых и тепломассообменных 3Dмоделей и расширение области их приложения для ис-следования процессов графитации постоянным и пере-менным током.



Целью работы является анализ влияния расположе-ния заготовок электродов на распределение удельноймощности нагрева и на энергоэффективность процессаграфитации на основе 3D моделирования сопряженныхэлектромагнитных, электротепловых и тепломассооб-менных процессов с учетом особенностей конструкцииПГ, ее керна и шинных пакетов, температурных зависи-мостей электрофизических, теплофизических и массо-обменных свойств.

При формировании обобщенной 3D модели графи-тации выделяется расчетная область с боковыми шин-ными пакетами (БШП) 7 и ПГ с шамотной футеровкой 5,стальным кожухом 6 и керном, которой включает заго-товки электродов 1, пересыпку керна 2, электропроводя-щую засыпку 3 и теплоизоляционную шихту 4 (рис. 1).Эта расчетная область обладает свойствами симметрииотносительно вертикальной плоскости симметрии, ко-торая проходит через продольную ось керна ПГ.

Согласно [8, 9], электромагнитное поле в окрестностяхграфитовых плит и торцов керна ПГ приближается к плос-копараллельному полю, а падения напряжения в графи-товых плитах существенно меньше падений напряженияна других участках печной петли (ПП). Это позволяет рас-сматривать область керна ПГ и БШП инвариантно к обла-стям торцевых шинных пакетов и токоподводов.

В соответствии с [1, 2] принимаются допущения обизотропности свойств материалов, неизменности магнит-ных свойств неферромагнитных материалов, отсутствиитоков смещения и свободных зарядов. На основании по-добия электрических полей в электроизоляционных сре-дах и в электропроводящих средах с достаточно малойудельной электрической проводимостью, электроизоля-ционные среды, окружающие области керна, БШП и ко-жуха ПГ заменяются электропроводящими средами сдостаточно малой удельной электропроводностью.

а) б)Рис. 1. Расчетная область ПГ и БШП с различным расположением заготовок электродов: а – горизонтальное;

б – вертикальное

Геометрическая симметрия ПГ и ПП (рис. 1), допу-щение о симметричном распределении токовых и теп-ловых нагрузок в токоподводах, керне, других элементахПГ, ПП обуславливают симметрию электромагнитных итемпературных полей относительно вертикальной плос-кости, проходящей через продольную ось ПГ. Такимобразом, для моделирования и расчетов можно рассмат-ривать только одну из двух симметричных подобластей.

Электромагнитное поле в электропроводящих средахописывается сопряженной системой уравнений Макс-велла относительно векторного магнитного и скалярно-го электрического потенциалов [8]

( )[ ]( )[ ]⎪⎩

⎪⎨⎧

=⋅∇⋅θσ⋅∇

=×∇×∇ −

,

,μμ 10

Vjjj

Ajjэ

V Q

QA(1)

где A, V – векторный магнитный и электрический по-тенциалы; ( )θσ j – температурная зависимость удель-ной электрической проводимости; jθ – локальная тем-пература; 0μ – магнитная проницаемость вакуума; эμ –эквивалентная относительная магнитная проницаемость.

Для ПГ постоянного тока уравнения системы (1) бу-дут однородными, так как

⎩⎨⎧

==

,0 ,0

V

AQQ

(2)

а для ПГ переменного тока должны рассматриватьсявыражения для правых частей в дифференциальных урав-нениях системы (1)

( )( )( )( )⎪⎩

⎪⎨⎧

⋅θσ⋅∇⋅ω−=

∇+θωσ−=

,

,

jjjV

jjjjA

j

Vj

AQ

AQ(3)

где ω – угловая частота; индексы 7...1=j определяюттэлектропроводящие подобласти в расчетной области(рис. 1, а).

7


Температурные зависимости для удельных электри-ческих проводимостей активных и конструкционныхматериалов ( ( )θσ j , 7 ,6,3 ,2 ,1=j ) принимаются по дан-ным [1, 2], а эквивалентная относительная магнитнаяпроницаемость эμ для стального кожуха 6 ПГ (рис. 1)определяется как функция модулей амплитудных значе-ний индукции в этом кожухе [10].

Система уравнений (1) дополняется условиями ка-либровки Кулона [8]

( ) 0=div A . (4)

Электротепловая модель отображается сопряженнойсистемой уравнений нестационарной теплопроводности

( ) ( ) ( ) ( )( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )

( ) ( )⎪⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

=θθσ=

=θ⋅θλ+τ∂θ∂⋅θρ⋅θ

==θ⋅θλ+τ∂θ∂⋅θρ⋅θ

=τ∂∂⋅θ⋅θρ+θθσ

=θ⋅θλ+τ∂θ∂⋅θρ⋅θ

−

=

− ∑

,7,6,

,5,4,0

,3,2,1,

21

,1

21

экв

jk

divc

jdivc

jurk

divc

jjjjI

jjjjjjjj

jjjjjjjj

jkn

kjkjjjjjI

jjjjjjjj

J

grad

grad

J

grad

(5)

где ( ) ( ) ( )( )∑=

τ∂∂⋅θ+θ=θn

kjkjkjjjj urcc

1,экв – эффектив-

ные удельные теплоемкости компонентов керна;( ) ( ) ( )jjjjjj λc θθρθ ,, – удельные теплоемкости, плотно-

сти и коэффициенты теплопроводности; ( )jkr θ – удель-ная теплота фазового перехода влаги химических реак-ций для графитируемых компонентов заготовок элект-родов, пересыпки и шихты керна; jku , – влагосодержа-ние и степень графитации.

Плотности токов определяются соотношениями:

( ) ( ) ( ) 7,6,3,2,1 ,1 , ==⋅θσ−=θ jkV Ijjjjj gradJ

– при графитации постоянным током,

( ) ( ) ( )( ) 7,6,3,2,1,5,0 , ==ω+⋅θσ−=θ jkjV Ijjjjjj AgradJ

– при графитации переменным током.Механизмы теплообмена при свободной конвекции

охлаждающего воздуха и линейной температурной зависи-мости его плотности описываются системой уравнений [8]

( ) ( ) ( )( )

( ) ( ) ( ) ( )⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

==

=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ θ∇θλ∇−θ∇θθρ

θ−θβ−

−Δθν+∇θρ−=∇⋅ −

,8 ,0

,0,

,0

1

jdiv

C

j

jjjjjjijjpjj

jj

jjjjjjjj

υ

υ

g

WpWW

(6)

где W – скорость охлаждающего воздуха; ( )θρ , p, ( )θpC ,

( )θν , β – плотность, давление, удельная теплоемкость,

кинематическая вязкость и коэффициент объемного рас-ширения воздуха; g – ускорение свободного падения.

Внутри расчетной области (рис. 1, б) условия сопря-жения магнитных, электрических и температурных по-лей на границах раздела сред с различными электрофи-зическими и теплофизическими свойствами формули-руются в виде:

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )⎪⎩

⎪⎨⎧

=θ−θ=θ∇θλ−θ∇θλ⋅

=−⋅=−×

≠∈∀

≠∈∀≠∈∀

,,0 ,0

,0 ,0

,3,1,,

,4,1,,,4,1,,

kikikikkkiiiki

kikikikikikikiki

n

JJnHHn

(7)

где ( ) AH ×∇μμ= −10 – напряженность магнитного поля.

Задаются однородные граничные условия на внешнихбоковых поверхностях расчетной области

( )⎩⎨⎧ =θ−θ=θΔ=⋅=

==∈∀,0 ,0 ,0

4,1044,1 jjjjjjj JnA (8)

формулируются граничные условия на торцах керна ПГ

( ) ( )⎩⎨⎧ θ=θϕ=⋅

=∈∀= , , ,,4,1гп3,14 jjjjjjzj V|yxAk=A (9)

и на плоскости симметрии

( )( ){ ,0 ,0 ,0 4,14,1 == =θ∇θλ⋅=⋅=× iiiiiiiiii nJnHn

.04,1=−+ =θ−θ

iii

При описании процессов теплообмена в шинах БШПс окружающей средой с учетом свободной конвекции ирадиационной теплоотдачи может применяться эмпи-рическое соотношение [3], которое преобразуется в гра-ничное условие

( ) ( ) ×+θ−θ⋅α⋅⋅=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ θ∇θλ⋅ − 7,5108,1 4

ocjjкjjjjn

( ) ,2,1,10001000

144

=⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ θ−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ θ⋅ϕ−⋅ε× jocj (11)

где кα – коэффициент, зависящий от высоты (длины) шин;ϕ – коэффициент лучистого экранирования шин.

Условие (11) позволяет реализовывать решение сис-тем уравнений электромагнитного поля (1)–(4) инвари-антно по отношению к системам уравнений теплопро-водности (5) и тепломассообмена (6). При расчетах тем-пературных полей учитываются требования ПУЭ по до-пустимым уровням нагрева вторичных токопроводов.

Трехмерная модель (1)–(3) с условием калибровкиКулона (4), условиями сопряжения (7) и граничнымиусловиями (8)–(11) реализуется методом конечных эле-ментов в структуре средств ComsolMultiphysics.

Плотность и размеры конечных элементов в расчет-ной области (рис. 1, б) варьируются для сокращения зат-

(10)



рат времени и вычислительных ресурсов без снижениятребуемого уровня точности расчетов. В шинах БШПплотность конечных элементов увеличивается, а по мереприближения к внешним границам расчетной областиона снижается.

По данным моделирования определяются токи, про-текающие через выделенную площадку ( )

jxyxzyz SSSS ,, ,

удельные потери в керне ПГ и в шинах БШП, мощностьграфитации:

⎪⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

=σ=

===

=++=

∫∫∫

∫∫∫∫∫∫

− . ,

,,,

,

1

222

j

xyxzyz

Vjjjjj

jS

jz

jSjy

jS

jxj

zyxjS

dxdydzpPp

dxdydxdzdydz

I

2

zyx

J

JIJIJ

IIII

(12)

Итерационный вычислительный процесс отвечаетпринятым критериям точности для результирующих то-ков в шинах БШП и керне ПГ. Причем для графитациипостоянным током сравниваются силы токов графита-ции и суммарных токов в БШП, а для переменного токатакое сравнение выполняется как по модулю амплитуд

[ ]тптшпεε II ≤ , так и фазовому углу [ ]тптшп εε ≤ этих

токов. Для суммарного тока БШП и тока графитации от-носительная невязка не превышает для модулей ампли-туд 0,24 %, для фаз этих токов – 0,07 %.

Среднее удельное электрическое сопротивление исредняя температура керна ПГ рассчитываются с помо-щью интегральных соотношений

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

∑θ=θ

∑

∑=ρ

∫∫∫∑

∫∫∫

∫∫∫

.1

,

керн

керн

j

j

j

Vj

j

Vj

Vj

dxdydzV

dxdydz

dxdydzp

2J

(13)

Реализация математической модели (1)–(11) с исполь-зованием интегральных соотношений (12) осуществля-лась для интервала изменения средней температуры кер-на (13) от кернθ = 20 °C до кернθ = 3000 °C.

Точность результатов численного моделированияоценивается путем сравнения расчетных значений мощ-ности графитации, токов и падений напряжения в кернеи БШП с экспериментальными данными регистрацииэлектрических режимов для различных кампаний гра-фитации переменным током (класс точности регистра-

тора – 0,2 [9]). Относительные погрешности расчетовпадений напряжений и мощности графитации не пре-вышают 0,9 % и 1,03 %, относительная токовая погреш-ность составляет 1,12 %.

Для вертикальной и горизонтальной укладки элект-родов температурные зависимости удельного электри-ческого сопротивления (УЭС) керна ПГ и коэффициен-та мощности для температур от 20°C до 3000°C на посто-янном и переменном токе отличаются на 0,5…0,6 %, чтосоизмеримо с погрешностью численной реализации.Следовательно, УЭС керна определяются соотношени-ем УЭС заготовок электродов, материалов пересыпки ишунтирующих слоев, и практически не зависят от ори-ентации заготовок электродов.

По данным полевых расчетов исследуется распреде-ление нормированных удельных потерь при перемен-ном (АС) и постоянном токе графитации (DC).

( )( )( )( )[ ] ( )

( )( )( )( )[ ] ( )

.,,,max

,,,

,,,,max

,,,

,,кернDC

кернDCDC

,,кернDC

кернACAC

в

в

Szyx

Szyx

zyxp

zyxpq

zyxp

zyxpq

∈∀

∈∀

τθ

τθ=

τθ

τθ=

(14)

Для визуализации полевых расчетов рассматриваютсяраспределения нормированных удельных потерь (рис. 2) ввертикальных плоскостях поперечного сечения, проходя-щего через оси заготовок основной зоны керна, при сред-них температурах графитации, равных кернθ = 2500 °C. Свет-лые поверхности нормированных удельных потерь и чер-ные линии их равного уровня соответствуют вертикально-му расположению заготовок, более темные поверхностиотносительных плотностей тока и белые линии равногоуровня – горизонтальному расположению (рис. 2).

При графитации переменным током наблюдается не-равномерное распределение удельной мощности тепло-выделения в диаметральном сечении заготовок. Макси-мальное значение удельной мощности отмечается возлеторцов заготовок. Для вертикального расположения за-готовок оно в 1,28 раза превышает соответствующее зна-чение при их горизонтальном расположении (рис. 2, а).Для постоянного тока при средней температуре керна кернθ = 2500 °C эти поверхности сближаются и контурылинии равного уровня при горизонтальной и вертикаль-ной укладках заготовок практически повторяют друг дру-га (рис. 2, б).

При графитации переменным током для температуркерна до кернθ =1000 °C и достаточно больших УЭС повер-хностный эффект и внешний поверхностный эффект прак-тически не оказывают влияния на средние по объему кер-на удельные потери, а добавочные не превышают 1,4 %.

Для температур керна выше 2000 °C отмечается ростлокальной удельной мощности тепловыделения в торце-вых областях заготовок до 2,5 раз при увеличении тепловоймощности в боковых шунтирующих слоях керна до 42 %.

9


а) б)

Рис. 2. Распределение нормированных значений удельных потерь в диаметральных сечениях заготовок при температуре

кернθ = 2500 °C: а – при графитации переменным током; б – при графитации постоянным токомм

На протяжении кампании графитации в торцевыхзонах керна удельные потери в заготовках крайних элек-тродов на 1,5…7,8 % больше, чем во внутренней зонекерна.

При графитации переменным током в диаметральномсечении заготовок в интервале температур 500…1500 °Cзначение средней удельной мощности тепловыделениядля вертикальной укладки на 7,9…11,8 % выше, чем длягоризонтальной укладки заготовок, а при графитациипостоянным током – на 8,2…13 % (рис. 3).

Температурные поля в заготовках электродов приграфитации переменным и постоянным током при из-менении средних температур керна от 20 °C до 1000 °Cпрактически идентичны. Наибольшие различия в темпе-ратурных полях заготовок отмечаются в интервале сред-них температур керна от 2000 °C до 3000 °C. Добавочныепотери, обусловленные поверхностными эффектами вкерне и внешними поверхностными эффектами от то-ков в шинах БШП, способствуют выравниванию темпе-

Рис. 3. Изменение отношения мощностей тепловыделения вдиаметральном сечении заготовок электродов при

вертикальном и горизонтальном расположении заготовок вкерне ПГ от температуры

ратур в объеме заготовок электродов и снижению пере-падов температур на 7…11 % по сравнению с графита-цией постоянным током. В интервале средних темпера-тур керна от 1000 °C до 2000 °C эти факторы также имеютместо, но они менее выражены. При вертикально-попе-речной укладке электродов на начальном этапе разогре-ва средние значения удельной мощности нагрева увели-чиваются по сравнению с горизонтально-поперечнойукладкой. Все это позволяет интенсифицировать вводмощности, сократить продолжительность кампании иэнергозатраты.

ВЫВОДЫПредложены сопряженные пространственные моде-

ли, адекватно отображающие особенности электромаг-нитных, электротепловых и тепломассообменных процес-сов в печной петле и печи графитации, учитывающие осо-бенности конструкции печи графитации, ее керна, боко-вых шинных пакетов печной петли и температурные зави-симости электрофизических и теплофизических свойствматериалов печи, керна, заготовок электродов, шинныхпакетов и охлаждающей среды. Относительные погреш-ности расчетов падений напряжений на БШП и мощнос-ти графитации не превышают 0,9 % и 1,03 % при сравне-нии с данными регистрации электрических режимов вовремя различных кампаний графитации.

При вертикальном расположении заготовок в кернеПГ Ачесона в диаметральном сечении заготовок в ин-тервале температур 500…1500 °C в их объеме выделяет-ся мощность нагрева, которая больше на 8…13 % боль-ше по сравнению с горизонтально-поперечной уклад-кой, что обеспечивает интенсификацию нагрева, сокра-щение продолжительности кампании и энергозатрат.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Кузнецов Д. М. Процесс графитации углеродных ма-

териалов. Современные методы исследования[Текст] / Д. М. Кузнецов, В. П. Фокин. – Новочер-касск : ЮРГТУ, 2001. – 132 с.

2. Кузнецов Д. М. Графитация крупногабаритных элек-тродов. Процесс Ачесона [Текст] / Д. М. Кузнецов. –Ростов н/Д: РГАСХМ ГОУ, 2003. – 168 с.

3. Цветков Ф. Ф. Тепломассообмен: Учебное пособиедля вузов. – 2-е изд., испр. и доп. [Текст] / Ф. Ф. Цветков,Б. А. Григорьев. – М. : Издательство МЭИ, 2005. – 550 с.

4. Дрешпак Н. С. Результаты анализа режимов индук-ционного нагрева разъемных деталей машин [Текст]/ Н. С. Дрешпак // Научный вестник НГУ. – 2012. –№ 4. – С. 108–113.

5. Ярымбаш Д. С. Особенности определения парамет-ров электрической схемы замещения печной петлипечи графитации переменного тока [Текст] /Д. С. Ярымбаш, И. М. Килимник, С. Т. Ярымбаш //Електротехніка та електроенергетика. – 2010. – № 2. –С. 36–43.

6. Коржик М. В. Дослідження бічного шунта печі граф-ітації [Текст] / М. В. Коржик, Г. І. Гурчик // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – Харь-

ков : Технологический центр, 2012. – №3/5 (57). –С. 39–43.

7. Буль О. Б. Методы расчета магнитных систем элект-рических аппаратов : Магнитные цепи, поля и про-грамма FEMM: Учеб.пособие для студентов высш.учеб. заведений [Текст] / О. Б. Буль. – М. : Издатель-ский центр «Академия», 2005. – 336 с.

8. Ярымбаш Д. С. Идентификация электрических па-раметров печной петли мощных печей графитации[Текст] / Д. С. Ярымбаш // Электротехника и элект-ромеханика. – 2012. – №1. – С. 49–54.

9. Ярымбаш Д. С. Особенности контроля электричес-ких параметров, мощности и энергопотребления вовремя кампании графитации в печи переменноготока [Текст] / Д. С. Ярымбаш, С. Т. Ярымбаш,О. В. Тютюнник // Вісник Кременчуцького держав-ного політехнічного університету. – Кременчук :КДПУ, 2006. – Вип. 3/2006(38). – С. 53–55.

10. Ярымбаш Д.С. Особенности моделирования элект-ромагнитных процессов в индукторе калибра мунд-штука пресса / Д.С. Ярымбаш, И.М. Килимник //Вісник Кременчуцького державного політехнічногоуніверситету – Кременчук, КДПУ, 2007. – №4(45)Частина 1. – С. 53 – 55.

Стаття надійшла до редакції 16.06.2014.

Яримбаш Д. С.Канд. техн. наук, доцент, Запорізькій національний технічний університет, УкраїнаВПЛИВ РОЗТАШУВАННЯ ЗАГОТОВОК ЕЛЕКТРОДІВ НА РОЗПОДІЛ ЕЛЕКТРИЧНОЇ

ПОТУЖНОСТІ НАГРІВУ В КЕРНІ ПЕЧІ АЧЕСОНАЗапропоновано 3D модель електромагнітних та термоелектричних полів у керні печі Ачесона постійного

та змінного струмів,що має високу точність і ефективність чисельної реалізації та дозволяє врахувати особ-ливості конструкції печі і бокових шинних пакетів, просторовий розподіл заготовок електродів у струмоп-ровідній пересипці керна, температурні залежності електромагнітних так теплофізичних властивостей ма-теріалів, а також технологічні режими графітації. Виконано аналіз просторового розподілу питомої потуж-ності тепловиділення у керні при вертикальному та горизонтальному розташуванні заготовок електродів укерні.

Ключові слова: математична модель, електромагнітне поле, термоелектричне поле, піч Ачесона, пос-тійний струм, змінний струм, заготовки електродів, потужність тепловиділення.

Yarymbash D. S.Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Zaporizhzhya national technical university, UkraineINFLUENCE OF THE ELECTRODES BLANKS LOCATION ON THE ELECTRIC HEATING POWER

DISTRIBUTION IN THE ACHESON FURNACES COREThe modeling of electromagnetic and thermoelectric processes on the basis of numerical realization by finite element

method of the generalized three-dimensional models of DC and AC graphitization is proposed.The features of furnace structure and side busbar packages, spatial arrangement of the electrodes blanks in the

conductive backfill of core, temperature dependence of the electromagnetic and thermal properties of materials, technologicalregimes of graphitization are taken into account. The high accuracy and efficiency of numerical implementation areprovided.

The character and regularities of the spatial distribution of specific thermal power in the core at the vertical andhorizontal location of the electrode blanks in the core are defined.

It is revealed that the specific electric resistance of the core is determined by the ratio of specific electric resistance ofelectrode blanks, backfill materials, shunt layers and don’t practically depend on the orientation of the electrodes blanksin the Acheson furnace.

It is found that in vertical stacking of blanks in the Acheson furnace core at diametric section blanks more heatingcapacity is allocated compared with the horizontal transverse stacking. Intensification of the heating, reduction in theduration the campaign and energy are provided.

Keywords: mathematical model, electromagnetic field, the thermoelectric field, Acheson furnace, direct current,alternating current, electrodes blanks, thermal power.

11


REFERENCES1. Kuznecov D. M. and Fokin V. P. Process grafitacii

uglerodnyh materialov. Sovremennye metodyissledovanija, JuRGTU, Novocherkassk, 2001, 132 p.

2. Kuznecov D. M. Grafitacija krupnogabaritnyhjelektrodov. Process Achesona, RGASHM GOU, Rostovn/D, 2003, 168 p.

3. Cvetkov F. F. and Grigor’ev B. A. Teplomassoobmen:Uchebnoe posobie dlja vuzov. Moscow, Izdatel’stvoM‘EI, 2006, 550 p.

4. Dreshpak N. S. Rezul’taty analiza rezhimovindukcionnogo nagreva raz’emnyh detalej mashin,Scientific bulletin of National mining university, 2012,No.4, pp. 108–113.

5. Yarymbash D. S., Kilimnik I. M. and Yarymbash S. T.,Osobennosti opredelenija parametrov jelektricheskojshemy zameshhenija pechnoj petli pechi grafitaciiperemennogo toka, Elektrotehnіka taelektroenergetika, 2010, pp. 36–43.

6. Korzhyk M. V., and Gurchyk A. I., Doslidzhennyabichnoho shunta pechi hrafitatsiyi, Vostochno-

evropejskij zhurnal peredovyh tehnologij. Kharkov,Tehnologicheskij centr, 2012, No.3/5 (57), pp. 39–43.

7. Bul’ O. P., Metody rascheta magnitnyh sistemjelektricheskih apparatov: Magnitnye cepi, polja iprogramma FEMM: Ucheb.posobie dlja studentovvyssh. ucheb. zavedenij, Izdatel’skij tsentr Аkademiya.Moscow, 2005, 336 p.

8. Yarymbash D. S., Osobennosti kontrolja jelektricheskihparametrov, moshhnosti i jenergopotreblenija vo vremjakampanii grafitacii v pechi peremennogo toka,Jelektrotehnika i jelektromehanika, 2012, No. 1, pp.49–54.

9. Yarymbash D. S., Yarymbash S. T. and Tyutyunnik О.V., Identifikacija jelektricheskih parametrov pechnoj petlimoshhnyh pechej grafitacii, Visnyk Kremenchuckogoderzhavnogo politehnichnogo universytetu, KDPU,Krementschuk, 2006, No. 3(38), pp. 53–55.

10. Yarymbash D. S. and Kilimnik I. М., Osobennostimodelirovanija jelektromagnitnyh processov vinduktore kalibra mundshtuka pressa, VisnykKremenchuckogo derzhavnogo politehnichnogouniversytetu, KDPU, Krementschuk, 2007, No. 4(45),pp. 53–55.



УДК 621.316.761.2

Власенко Р. В.1, Бялобржеський О. В.2

1Аспірант, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, Україна, E-mail:[email protected]

2Канд. техн. наук, доцент, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, Україна

АНАЛІЗ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ТРИФАЗНОМУ СИЛОВОМУАКТИВНОМУ ФІЛЬТРІ З ВИКОРИСТАННЯМ СПЕКТРАЛЬНОГО

МОДЕЛЮВАННЯВ роботі проведено аналіз енергетичних процесів в трифазному силовому активному фільтрі з використан-

ням його спектральної моделі. На підставі існуючих моделей активних випрямлячів розроблена спектральнамодель активного фільтра, в результаті отримані графіки потужності та енергії в системі для статичногорежиму роботи пристрою за визначених умов. Аналіз отриманих графіків та спектрів відповідних параметріврежиму фільтру дозволив оцінити розподіл електричної енергії в елементах фільтру.

Ключові слова: силовий активний фільтр, широтно-імпульсна модуляція, спектральне моделювання, три-фазний мостовий перетворювач, розподіл електричної енергії.

ВСТУПВпровадження останнім часом напівпровідникової

техніки в електротехніці стало приводити до зростаннянелінійного навантаження, що загострило проблему за-безпечення якості електроенергії. Негативна дія нелінійно-го навантаження полягає в тому, що воно призводить довисокого коефіцієнту несинусоїдальності струму, спо-живаного перетворювачами з мережі та збільшення не-активних складових потужності [1].

Найбільш ефективними технічними рішеннями длякомпенсації неактивних складових потужностей наванта-ження в трифазній мережі змінної струму є керованіфільтрокомпенсуючі пристрої – силові активні фільтри [2].

Переважна маса робіт щодо силових активних фільтрівпов’язана з питанням вдосконалення формування стру-му фільтра [3, 4], або підвищенню якості управління си-ловими напівпровідниковими пристроями [5, 6].

В той же час питання перерозподілу енергії в елемен-тах силової схеми залишається осторонь, але це питання єзначущим, зважаючи на наявність складових зумовленихмережею та дискретністю роботи схеми перетворювача.

МЕТА РОБОТИАналіз енергетичних процесів в трифазному силово-

му активному фільтрі з використанням спектральногомоделювання.

МАТЕРІАЛ І РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯДля забезпечення високої якості електричної енергії

на вході і (або) виході напівпровідникових перетворювачівзастосовують різні види широтно-імпульсної модуляції(ШІМ). Наявність до кількох сотень міжкомутаційнихінтервалів на періоді повторення ускладнює моделюван-ня [7]. Використання широко відомих пакетів універсаль-них програм для моделювання перетворювачів викликаєтруднощі, пов’язані з великими витратами часу на про-ведення експерименту моделювання. У зв’язку з цим натаких моделях ускладнена реалізація безлічі режимів ро-

боти і підбору параметрів елементів при пошуку опти-мальних їх значень.

Спектральне моделювання має певні переваги і недо-ліки [8] та не замінює традиційні методи моделювання, адоповнює їх. Поєднання різних методів моделювання вкінцевому рахунку дозволяє скоротити витрати часу намодельний експеримент і проектування пристрою.

Трифазний активний фільтр, силова частина якоговиконана за схемою трифазного автономного інверторанапруги (рис. 1), складається з трьох напівмостових схем(VT1–VT6), конденсаторного накопичувача (С) та реак-торної групи (L1–L3).

При аналізі вважають джерело живлення і ключі іде-альними, нехтують інтервалом «мертвої» паузи. Тоді прироботі на навантаження будь-який алгоритм перемикан-ня повинен відповідати виразам:

1 2

3 4

5 6

1;1;1.

F FF FF F

+ =+ =

+ =(1)

де F – комутаційні функції відповідних вентилів.Потенціали фаз перетворювача відносно точки виво-

ду «–» конденсатора:

1

3

5

;;.

A

B

C

E FE FE F

ϕ = ⋅ϕ = ⋅

ϕ = ⋅(2)

де Е – напруга джерела живлення на стороні постійногоструму активного фільтру.

© Власенко Р. В., Бялобржеський О. В., 2014

L1-3

C

VT1МережаiA

ЗН

iB

iC

i0

VT2

VT3

VT4

VT5

VT6

Рис. 1. Схема трифазного перетворювача

13


При симетрії навантаження потенціал нейтралі віднос-но точки 0 визначається виразом:

( ) ( )0 1 3 513 3A B C

E F F Fϕ = ϕ + ϕ + ϕ = + + . (3)

Тоді фазні вихідні напруги перетворювача рівні:

1 3 50

3 1 50

5 1 30

2;

32

;3

2.

3

a a

b b

c c

F F Fu E

F F Fu E

F F Fu E

− −= ϕ − ϕ =

− −= ϕ − ϕ =

− −= ϕ − ϕ =

(4)

Зв’язок струму i0, споживаного перетворювачем відджерела живлення (струм конденсатора), з вихіднимиструмами фаз перетворювача iа, ib і ic, враховуючи, щострум i0 складається з струмів ключів VТ1, VТ3 і VТ5:

0 1 3 5a b ci i F i F i F= ⋅ + ⋅ + ⋅ . (5)

Для того, щоб знайти ключові перемикаючі функції,спектральна модель повинна бути доповнена блоками,які моделюють роботу модулятора, вузла, що перетво-рює керуючий сигнал в часовий інтервал. Незалежно відтого, який спосіб модуляції використовується в реально-му перетворювачі, при спектральному моделюванні роз-глядається модулятор, побудований за «вертикальним»принципом [9].

При спектральному моделюванні переходять від без-перервної області часу до дискретної, при цьому

n n dθ = ⋅ , де n – номер поточної точки розрахунку; d –

дискрета часу, яка дорівнює 2dNπ

= , N – кількість точок

за період основної гармоніки.Аналітично сигнали розгортки задають через зворотні

тригонометричні функції для двополярної, двосторон-ньої ШІМ [10], яка прийнята у даному випадку:

2 arcsin sin2

r n d A⎡ π ⎤⎛ ⎞= − ⋅ ⋅ −⎜ ⎟⎢ ⎥π ⎝ ⎠⎣ ⎦. (6)

Модулююча функція:

1, якщо1, якщо

y rm

y r>⎧ ⎫

= ⎨ ⎬− <⎩ ⎭. (7)

де y – управляючий сигнал, тривалість якого прямо про-порційна m.

Вихідний сигнал модулятора m визначає часове поло-ження ключових перемикаючих функцій перетворюва-ча F [11].

Для зменшення обсягу рівнянь надалі параметри три-фазної системи розраховують для фази А, враховуючи

для В і С фазовий зсув 23π

та 43π

відповідно.

Сигнал управління вентилями фази А:

( )( )1

sinpa

i

ky n d

k−

= ⋅ . (8)

де kp – коефіцієнт регулювання; ki – коефіцієнт передачіперетворювача.

Коефіцієнт регулювання:

осн Lp

m

I Xk

U⋅

= . (9)

де оснI – заданий струм основної гармоніки мережевогокола фільтра; mU – фазна напруга мережі; LX – індук-тивний (реактивний) опір реактора основній гармоніціструму, 2LX f L= ⋅ π ⋅ ⋅ , f – частота мережі; L – індук-тивність, яка з’єднує перетворювач з мережею змінногоструму.

Коефіцієнт передачі перетворювача:

Eki k Uсх m=

⋅. (10)

де kcx – коефіцієнт схеми перетворювача.Діюче значення струму мережі:

** 2 2

pL k UUI

f L f L⋅

= =π ⋅ ⋅ π ⋅ ⋅

, (11)

де *LU – діюче значення напруги індуктивності.В перетворювачах напруги, що формують напругу з

ШІМ максимально можлива усереднена амплітуда (мак-симальна амплітуда основної гармоніки) ШІМ-послідов-ності [12], дорівнює:

. *.максp m сх dU k U= ⋅ . (12)

де Ud – напруга конденсатора.Діюче значення напруги перетворювача:

* .p м сх dU k k U= (13)

Зумовлюється коефіцієнтом модуляції [11]:

2 2

м1 1

.m p p

сх d U

U k kk

k U k

+ += = (14)

де kU = kcxUd/Um > 1 – коефіцієнт перевищення напруги настороні змінного струму, мінімально припустимого зна-чення [13].

Схема заміщення пристрою наведена на рис. 2. Перетво-рювач на стороні змінного струму представлено еквівалент-ним джерелом напруг перетворювача uрa, uрb, uрc. Мережазмінного струму може містити зовнішнє навантаження ЗНстосовно до перетворювача, показане на рис. 1 пунктиром.



ua

ub

uc

La

Lb

Lc

ia

ic

ib

upа

upb

upс

Рис. 2. Схема заміщення перетворювача

Розглянемо спектральну модель активного фільтру знаступними параметри режиму фільтру: U = 220 B – діючезначення фазної напруги мережі; f = 50 Гц – частота ме-режі; Iосн = 100 A – діюче значення основної гармоніки стру-му. Виходячи з цих параметрів відповідно [14] розраховані:індуктивність реактора 35 10 ГнL −= ⋅ ; ємність конденса-тора 37,5 10 ФC −= ⋅ ; напруга постійного струму пере-творювача E = 1000 B; частота модуляції fmod = 1500 Гц;кратність частоти модуляції A = fmod / f. Зважаючи на значнуємність конденсатора в подальшому його представлено іде-альним джерелом постійної напруги.

Задаючи фазну напругу мережі у вигляді:

( )2 sinau U n d= ⋅ ⋅ ⋅ ,

Рис. 3. Зміна потужностей у часі і спектр гармонік: а) мережі; б) індуктивності; в) на вході перетворювача

згідно (6)–(8) формують імпульси управління m, за умо-ви, що перетворювач створює напругу up при якій в індук-тивності протікає заданий струм is.

Визначають за (2)–(4) потенціали для фаз φa , φb, φспотенціал нульової точки навантаження 0φ та фазні на-пруги ua, ub, uc.

Ортогональні складові та амплітуди гармонік вихідноїнапруги фази А:

( )( )cospaak

n

u k n dUA d

⎡ ⎤⋅ ⋅ ⋅⎢ ⎥= ⋅

π⎢ ⎥⎣ ⎦∑ ; (15)

( )( )sin

πpa

akn

u k n dUB d

⎡ ⎤⋅ ⋅ ⋅⎢ ⎥= ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦∑ ; (16)

( ) ( )2 2ak ak akU UA UB= + , (17)

аналогічним чином визначаються складові фаз В і С.Напруга індуктивності:

.L pu u u= +

pSa,BA

T,c

8789,1

pLa,BA

T,c

T,c

ppa,BA

а)

б)

в)

pLa,BA

k508,6

A

5211,2

2A

5631,6

1510,4

3A

4501,5

4A

4264,8

2256,3

5A

3197

6A

2610,8

1166

8A

2533,3

pSa,BA

k

7744,5

718,72353,42

2A

290,21

4A

584,31574,3

A

5278,2

2A 3A

4647,8

4A

4120,9

2305,6

5A

3262,3

6A

2643,2

1142

8A

2549,1

ppa,BA

k

9A

9A

15


Рис. 4. Зміна сумарної потужності для трьох фаз у часі і спектр гармонік: а) мережі; б) індуктивності; в) на входіперетворювача; г) на виході перетворювача (сторона постійного струму)

Струм фази зумовлений напругою мережі:

2 sin2Sa

L

Ui n dX

⎛ ⎞⋅ π⎛ ⎞= ⋅ ⋅ −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠.

Струм фази зумовлений роботою перетворювача:

cos sin2 2

.ak ak

paLk

A k n d B k n di

k X

⎛ π π ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞⋅ ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ ⋅ −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠=⋅∑

Повний струм мережі фази А:

a pa Sai i i= + .

Струм на виході перетворювача i0 визначають за фор-мулою (5).

На підставі отриманих струмів визначають:– потужність окремих фаз мережі

.Sa a ap u i= ⋅

p? S,BA

T,c

p? L,BA

T,c

p?p,BA

T,c

p0,BA

T,c

а)k

2156,2

227,4

2AA

191,5

3A 4A

870,64

6A

389,57143,9

8A

k

3,57·10-12

0,39·10-12

A

0,79·10-12

2A 4A

0,65·10-12

5A

1,2·10-12

0,48·10-12

6A

0,32·10-12

8A

k

1402

A

710,28

2A

4722,8

3A 4A

1232,7

6916,8

5A

1440,7

6A

6569

8A

1307,7

k

1760,1

A

595,8

60

4746,4

87

1026,9

120

6952,9

5A

1185,5

6A

6479,8

1049,1

8A

p?S,BA

p?L,BA

p?p,BA

p0,BA

б)

в)

г)



– сумарну потужність по трьом фазам мережі:

.S Sa Sb Scp p p p∑ = + +

– потужність індуктивності в одній з фаз

.La La ap u i= ⋅

– сумарну потужність індуктивностей трьох фаз

.L La Lb Lcp p p p∑ = + +

– потужність на вході фази перетворювача

.pa pa ap u i= ⋅

– сумарну потужність на вході перетворювача потрьом фазам

.p pa pb pcp p p p∑ = + +

W? S, Дж

T,c

W?L, Дж

T,c

W?р, Дж

T,c

г)

д)

е)

WSa, WSb, WSc;Дж

б)

а)WLa, WLb, WLc; Дж

в)

Wpa, Wpb, Wpc; Дж

24,85

-12,47

18,7

-9,36

WSa

WSb

WSc

WSa

WSb

WSc

– потужність на виході перетворювача:

0 0.p E i= ⋅

Гармоніки потужностей визначають за формуламианалогічними (15)–(17).

Енергії елементів схеми (рис. 1) знаходять шляхомдискретного інтегрування потужностей (рис. 3, 4) мето-дом трапецій.

Покладаючи початкові значення енергії фази А, В, С:0 0SaW = , 0 0SbW = , 0 0ScW = :– енергія фази мережі:

( ). . 1 . 1 . / 2Sa n Sa n Sa n Sa ndW W p pT− −

⋅ π= + + ⋅ ;

– сумарна енергія в мережі по трьом фазам:

S Sa Sb ScW W W W∑ = + + ;

Рис. 5. Енергія: а) мережі фази А, В, С; б) індуктивності фази А, В, С; в) на вході перетворювача фази А, В, С; г) сумарнамережі по трьом фазам; д) сумарна індуктивності по трьом фазам; е) сумарна на вході перетворювача по трьом фазам

17


– сумарна енергія індуктивності по трьом фазам:

( )2 2 22L a b cLW i i i∑ = ⋅ + + ;

– енергія на вході перетворювача за однією фазою

( )1 1 / 2pan pan pan pandW W p pT− −

⋅ π= + + ⋅ ;

– сумарна енергія перетворювача:

.S Sa Sb ScW W W W∑ = + + ;

– енергія на виході перетворювача:

2.

2CC EW ⋅

=

ВИСНОВКИ1) на підставі аналізу графіків потужності фази ме-

режі, індуктивності та перетворювача, встановлено, щоперша за основною частотою є сумою другої та третьої,а за частотою модуляції – різницею, при цьому вага мо-дуляційних складових потужності порівняна з основноюгармонікою;

2) графіки потужностей за фазою та потужностей затрьома фазами показують, що вищі гармонійні складовіпотужностей переважно замикаються в контурах при-строю, а сумарна для трьох фаз потужність за основноюгармонікою дорівнює нулю, що свідчить про реактив-ний характер останньої;

3) потужність конденсатора має в спектрі лише висо-кочастотні складові, що свідчить про перерозподіл ос-новної гармоніки потужностей в мереж колах пристроюбез передачі на конденсатор;

4) пульсації сумарної потужності мережі за трьомафазами на подвоєній частоті модуляції можна пов’язатиз виникненням високочастотних складових струмів зво-ротної послідовності, які пристрій перетворювач.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. Железко Ю. С. Потери электроенергии. Реактивная

мощность. Качество электроэнергии / Ю.С. Желез-ко. – М. : ЭНАС, 2009. – 456 с.

– енергія індуктивності фази А:

2.

2a

LaL i

W⋅

= ;

2. Алексеев Б. А. Активные фильтры высших гармо-ник / Б. А. Алексеев // Электро. – 2007. – № 3. – С. 28–32.

3. Бурлака В.В. Обзор методов управления активнымифильтрами / В. В. Бурлака, С. К. Поднебенная,М. Д. Дьяченко // Електромеханічні і енергозберіга-ючі системи. – 2011. – № 1. – С. 51–54.

4. Жемеров Г. Г. Теория мощности Фризе и современ-ные теории мощности / Г. Г. Жемеров, О. В. Ильина// Електротехніка і електромеханіка. – 2007. – № 8. –С. 63–65.

5. Dixon Y. J. Analysis and evaluation of differentmodulation techniques for active power filters /J. Y. Dixon, S. M. Tepper, L. T. Moran // IEEE. – Chile,1994. – 5/94 – C. 894–900.

6. Шавелкин А. А. Многоуровневый каскадный пре-образователь частоты с силовым последовательнымактивным фильтром / А. А. Шавелкин, А. В. Ханин// Вісник НТУ «ХПІ». – 2012. – № 18. – С. 46–51.

7. Чаплыгин Е. Е. Инверторы напряжения и их спект-ральные модели : учебное пособие / Е. Е. Чаплыгин. –М. : МЭИ, 2003. – 30 c.

8. Чаплыгин Е. Е. Спектральное моделирование пре-образователей с широтно-импульсной модуляцией: учебное пособие / Е. Е. Чаплыгин. – М. : МЭИ,2009. – 56 с.

9. Обухов С. Г. Широтно-импульсная модуляция в трех-фазных инверторах напряжения / С. Г. Обухов,Е. Е. Чаплыгин, Д. Е. Кондратьев // Электричество. –2008. – № 7. – С. 23–31.

10. Чаплыгин Е. Е. Спектральные модели автономныхинверторов напряжения с широтно-импульсноймодуляцией / Е. Е. Чаплыгин, Д. В. Малышев // Элек-тричество. – 1999. – № 8. – С. 60–68.

11. Чаплыгин Е. Е. Входные фильтры инверторов напря-жения с несимметричной нагрузкой / Е. Е. Чаплы-гин, Н. Г. Калугин, И. Ю. Рыбальченко // Практичес-кая силовая электроника. – 2005. – № 18. – С. 28–32.

12. Агунов А. В. Управление качеством электроенергиипри несинусоидальних режимах / А. В. Агунов. –С. Пб. : СПбГМТУ, 2009. – 134 с.

13. Чаплыгин Е. Е., Калугин Н.Г. Теория мощности всиловой электронике. Учебное пособие. / Е. Е. Чап-лыгин, Н. Г. Калугин. – М. : МЭИ, 2006. – 23 с.

14. Feasibility study of flexible systems for reactive powercompensation / [Zakis J., Vinnikov D., Laugis J., Rankirs I.]// IEEE. – Latvia, 2010. – No. 5 – P. 14–20.

Стаття надійшла до редакції 23.05.2014.Після доробки 16.06.2014.



Власенко Р. В.1, Бялобржеский А. В.21Аспирант, Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, Украина2Канд. техн. наук, доцент, Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского,

УкраинаАНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРЕХФАЗНОМ СИЛОВОМ АКТИВНОМ ФИЛЬТРЕ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯВ работе проведен анализ энергетических процессов в трехфазном силовом активном фильтре с использо-

ванием его спектральной модели. На основании существующих моделей активных выпрямителей разработанаспектральная модель активного фильтра, в результате полученные графики мощности и энергии в системедля статического режима работы устройства с указанными условиями. Анализ полученных графиков и спек-тров соответствующих параметров режима фильтра позволил оценить распределение электрической энер-гии в элементах фильтра

Ключевые слова: силовой активный фильтр, широтно-импульсная модуляция, спектральное моделирова-ние, трехфазный мостовой преобразователь, распределение электрической энергии.

Vlasenko R. V.1, Bialobrzeski O. V.21Postgraduate Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskiy National University, Ukraine2Candidate of Science, Associate Professor, Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskiy National University, UkraineTHE ANALYSIS OF ENERGY PROCESSES IN THREE-PHASE ACTIVE POWER FILTER USING

SPECTRAL MODELINGThe problem of electricity quality to consumers with non-linear, variable load caused the development of technical

solutions as a managed device controlled filtering compensates - active power filter is discussed. In known scientificpapers the issues of energy redistribution in the power circuit filter elements are clarified. The purpose of this paper is togive analysis of energy processes in a three-phase active power filter using spectral modeling with the presence of polyharmonics mode settings. Based on existing models of active rectifiers the spectral model of the active power filter isdeveloped. For certain conditions for static mode the temporal and spectral dependence of power and energy in the circuitelements is obtained. Analysis of the results revealed that the contours of the device circulating components of high-powercompared with the basic harmonic, that circulates between the network and the device, and the fundamental harmonic isabsent in the spectrum of the power capacitor. Operation device provides the energy redistribution between phases of thenetwork due to its partial reswitching of reactive elements.

Keywords: active power filter, pulse-width modulation, spectral modeling, three-phase bridge converter, the distributionof electricity.

REFERENCES1. Zhelezko Y. Poteri electroenergyi. Reactivnaia

moshchnost’. Kachestvo electroenergyi, Moscow,ENAS, 2009, 456 p.

2. Alekseev B. Aktivnye filtry vyschih harmonic, Electro,2007, No. 3, pp. 28–32.

3. Burlaka V. V., Podnebennaya S. K., D’yachenko M. D.Obzor metodov upravleniye aktivnymi filtrami,Electromechanical and saving the system, 2011, No. 1,pp. 51–54.

4. Zhemerov H. H., Yl’yna O. V. Teoryya moshchnostyFryze y sovremennыe teoryy moshchnosty,Elektrotekhnika i elektromekhanika, 2007, No. 8,рр. 63–65.

5. Dixon J. Y., Tepper S. M., Moran L. T. Analysis andevaluation of different modulation techniques for activepower filters, IEEE, 1994, vol. 94, No. 5, рр. 894–900.

6. Shavelkin A. A., Xanin A. V. Mnogourovnevyjkaskadnyj preobrazovatel’ chastoty s silovymposledovatel’nym aktivnym fil’trom, Vіsnik NTU«XPІ», 2012, No. 18, pp. 46–51.

7. Chaplygin E. E. Invertory napyazheniya i ihspectral’nye modeli, Moscow, MEI, 2003, 30 p.

8. Chaplygin E. E. Spectral’noe modelirovaniepreobrazovatiley s shirotno-impul’snoy modulyatsiey,Moscow, MEI, 2009, 56 p.

9. Obukhov S. G., Chaplygin E. E., Kondratiev D. E.Shirotno-impul’snaya modulyatsiya v trehfaznyhinvertorah napryazheniya, Elektrychestvo, 2008, No. 7,pp. 23–31.

10. Chaplygin E. E., Malyshev D. V., Spectral’nye modeliavtonomnyh invertorov s shirotno-impul’snoymodulyatsiey, Elektrychestvo, 1999, No. 8, pp. 60–68.

11. Chaplygin E. E., Kalugin N. G., Rybal’chenko I. Y.Vhodnye filtry invertorov napryazheniya snesimetrichnoy nagruzkoy, Practicheskaya sylovayaelectronica, 2005, No. 18, pp. 28–32.

12. Agunov A. V. Upravlenie kachestvom electroenergiyipri nesinusoidal’nyh rezhymah, Sankt-Peterburg,SPbSMTU, 2009, 134 p.

13. Chaplygin E. E., Kalugin N. G. Teoriya moshchnosti vsilovoy electronike. Moscow, MEI, 2006, 23 p.

14. Zakis J., Vinnikov D., Laugis J., Rankirs I. Feasibilitystudy of flexible systems for reactive powercompensation, IEEE, 2010, No. 5, рр. 14–20.

19


УДК 629.423.1:621.333

Міщенко Т. М.Канд. техн. наук, доцент, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка

В. Лазаряна, Україна, Е-mail: [email protected]

ПЕРСПЕКТИВИ СХЕМОТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ І МОДЕЛЮВАННЯПІДСИСТЕМ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ТЯГИ ПРИ ВИСОКОШВИДКІСНОМУ

РУСІ ПОЇЗДІВРозглянуто та проаналізовано схемотехніку і параметри перспективних підсистем тягового електропос-

тачання та електрорухомого складу, які зможуть забезпечити впровадження швидкісного і високошвидкісно-го руху поїздів. Зазначено, що такі підсистеми електричної тяги є занадто складними і до того ж нелінійними,динамічними і потужними, що й обумовлює практичну неможливість побудови їх точних класичних матема-тичних моделей. В роботі пропонується створювати математичні моделі для таких підсистем, а отже і длявсієї системи електротяги, методами ідентифікації, параметричної чи структурної.

Ключові слова: високошвидкісний рух, ідентифікація, математична модель, тягове електропостачання,схемотехніка, електрорухомий склад, поїзди, залізничний транспорт.

© Міщенко Т. М., 2014

ВСТУПЯк відомо [1–4], на залізничному транспорті прийнято

така умовна шкала швидкостей v руху пасажирськихпоїздів: «звичайний» рух (існуючий на звичайних лініях),при якому v≤160 км/год; швидкісний (на реконструйова-них лініях), де 160≤v≥200 км/год; високошвидкісний (наспеціально побудованих магістралях) v≤200 км/год. Крімцього, в деяких роботах, зокрема в [1, 2], також класифіку-ють рух вантажних поїздів на спеціалізований вантажнийрух з v≤120 км/год і змішаний вантажний з v<100 км/год.

На сьогодні на залізницях України поки що практич-но відсутній навіть швидкісний рух, а існують «звичай-ний» пасажирський і змішаний вантажний рухи. Вонизабезпечуються трьома системами електричної тяги(СЕТ): 3 кВ постійної напруги та 25 кВ і 2х25 кВ, 50 Гцзмінної напруги. В обох системах має місце, так зване,централізоване живлення тягових мереж, при якому тя-гові підстанції живляться від районних підстанцій систе-ми зовнішнього електропостачання. Рух поїздів забезпе-чується електровозами типів: ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11, ЧС, ДЕ1,ДС3, ВЛ60, ВЛ80 та інш. Схемотехнічно як централізова-на підсистема електропостачання, так і зазначені серіїелектровозів відносно не складні. І тому при математич-ному моделюванні електромагнітних і електроенергетич-них процесів в існуючих системах електротяги зображу-ють схеми заміщення пристроїв (з наступним складан-ням системи рівнянь).

Однак за своїми схемотехнікою і параметрами існу-ючі системи електричної тяги вже не можуть забезпечи-ти необхідне на сьогодні підвищення пропускної і про-візної здатностей електричних залізниць, тим більше привпровадженні швидкісних і високошвидкісних перевезень[5–10]; необхідна суттєва модернізація як тягового елек-тропостачання (ТЕП), так і електрорухомого складу (ЕРС),зокрема на основі схемотехнічних рішень, які приведеніі аналізуються у подальшому у цій роботі.

У зв’язку з цим, метою статті є аналіз запропонова-них схемотехнічних рішень для ТЕП і ЕРС, що забезпечу-ють високошвидкісний рух поїздів, з подальшою пропо-зицією моделювання таких складних нелінійних динаміч-них підсистем методами ідентифікації замість складаннятрадиційних точних математичних моделей на основі те-оретичного аналізу процесів в зазначених підсистемах.

1 СХЕМОТЕХНІКА ПЕРСПЕКТИВНИХПІДСИСТЕМ ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОПОС-ТАЧАННЯ

Багатьма спеціалістами в області електричного транс-порту [1, 3, 5, 7, 9, 12, 13] вважається, що існуюча системаелектричної тяги постійної напруги 3,3 кВ при певній їїмодернізації шляхом підсилення дозволить організуватишвидкісний рух поїздів з vmax до 200 км/год . Підсиленняцієї системи доцільно, насамперед, підвищенням напру-ги в тяговій мережі на першому етапі до 6 кВ, а потім – до12 кВ за рахунок переходу від існуючої централізованоїсистеми живлення тягової мережі до схеми розподілено-го живлення від лінії повздовжнього електроживленняпевної постійної чи змінної напруги.

Один із варіантів схеми такої розподіленої системитягового електропостачання постійного струму з повздов-жньою лінією 24 кВ постійної напруги запропоновано в[12, 15] і представлено на рис. 1.

Інший варіант структурної схеми розподіленого тя-гового електропостачання з повздовжньою живлячоюлінією постійного струму напругою 36 кВ в СЕТ пос-тійного струму 6 кВ (рис. 2–4) приведено в роботі [2].

Відносно модернізації існуючої СЕТ змінного стру-му 50 Гц ті ж автори [2] вважають, що найбільш раціо-нальною структурою тягового електропостачання є сис-тема з повздовжньою лінією живлення, яка розглянутавище для СЕТ постійного струму (рис. 2), бо в цьомувипадку уніфікуються головні тягові підстанції (рис. 3), адва (один) провода лінії повздовжнього живлення напру-



Рис. 1. Структурна схема тягового електропостачання з повздовжньою лінією 24 кВ постійного струму [12]

Рис. 2. Структурна схема ТЕП з повздовжньою живлячою лінією постійного струму напругою 36 кВ в СЕТ постійногоструму 6 кВ [2]

2 СХЕМОТЕХНІКА ПЕРСПЕКТИВНОГОЕЛЕКТРОРУХОМОГО СКЛАДУ

Згідно [16], для забезпечення руху поїздів на залізни-цях України зі швидкістю до 160 км/год створено і розпо-чато виробництво електровозів змінного струму типуДС3. Для забезпечення перевезень зі швидкістю до

гою 36 кВ підвішуються на опорах контактної мережі зпольової сторони як і в СЕТ змінного струму 25 кВ, 50 Гцз екрануючим і підсилюючим проводами.

Деякі спеціалісти [11, 12, 14] вважають, що різко підви-щити ефективність СЕТ постійного струму дозволитьрівень напруги в тяговій мережі, рівний 24 кВ.

21


Рис. 3. Структурна схема головної тягової підстанції для ТЕП постійного струму з лінією повздовжнього живленнянапругою 36 кВ [2]

Рис. 4. Структурна схема перетворювального пункта живлення тягової мережі напругою 6 кВ для ТЕП з повздовжньоюлінією живлення постійного струму напругою 36 кВ [2]



200 км/год передбачається, по-перше, створення двоси-стемного (3 кВ постійної та 25 кВ, 50 Гц змінної напруг)електровозу типу ЕД4 і, по-друге, глибока модернізаціяелектровозу ДС3 у електровоз ДС3М. Подальшезбільшення швидкостей перевезень пасажирів у міжоб-ласному сполученні до 200…220 км/год передбачаєтьсяза рахунок використання двосистемних електропоїздівтипу ЕП1 100.

При цьому всі спеціалісти вважають, що для виконан-ня вищезазначеного потрібно щоб тяговий привод перс-пективних електровозів і електропоїздів для швидкісного

і високошвидкісного руху будувався на базі безколектор-них тягових двигунів (ТЕД) і найчастіше – на основі асин-хронних короткозамкнених ТЕД [2, 3, 5, 12, 17–23]. Прицьому ці ТЕД повинні живитись (через певні тягові пере-творювачі) від контактної мережі як постійної, так і змінноїнапруги. Тим самим з’являється можливість створеннядвосистемних типів. При цьому перетворення постійноїнапруги в трифазну змінну напругу здійснюється авто-номними інверторами напруги (АІН) (рис. 5). Для украї-нських залізниць найближчі перспективи розв’язання цієїпроблеми такі [2, 5, 19–22].

Рис. 5. Універсальна силова електросхема двосистемного чотірьохвісного пасажиро-швидкісного електровоза з асинхроннимтрифазним двигуном та потележечним керуванням [2]

23


Оскільки на першому етапі організації увесь швидкі-сного руху передбачається суміщати швидкісний паса-жирський рух, тому необхідно створення універсально-го вантажно-пасажирського або пасажиро-швидкісногоелектровоза для експлуатації його в двох СЕТ. Тобто, не-обхідно створення універсального двосистемного елек-тровоза [2]. На рис. 5, згідно [2], представлена схема од-ного із варіантів такого 4-х вісного пасажиро-швидкісно-го двосистемного електровоза з асинхронними двигуна-ми з подвійним живленням: від контактної мережі на-пругою 6 кВ постійного струму і змінною напругою25 кВ, 50 Гц.

В [2] також робиться висновок про можливість ство-рення двосистемних пасажиро-швидкісних електровозів(з vmax=200 км/год) на основі модернізації 4-х вісних секційіснуючого електровоза ДС3, схема якого представленана рис. 6–7 [24]. Для цього в [19] викладено основні ви-моги і схемотехнічні рішення по створенню уніфікова-ного частотно-регулюючого електропривода електро-возів постійного, змінного і подвійного струму живлен-ня. А в [22] пропонується при розробці вітчизняногодвосистемного пасажиро-швидкісного електровоза заоснову взяти електротягову схему чотирисистемногоелектровоза ЕS64U4 фірми Siemens TransportationSystem.

Рис. 6. Спрощена схема силового кола електровоза ДС3 [24]

3 ІДЕНТИФІКАЦІЯ ЯК МЕТОД СТВО-РЕННЯ МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ

Аналіз приведених вище та в інших наукових публіка-ціях схемотехнічних рішень частково уже створених і пер-спективних підсистем тягового електропостачання і елек-трорухомого складу свідчить, по-перше, про суттєвускладність навіть їх структурних схем (рис. 1–7), не гово-рячи вже про розрахункові схеми заміщення з алгорит-мами роботи їх тягових перетворювачів, а, отже,складність і математичних моделей навіть для однієї фідер-ної зони і одного поїзда на ній.

По-друге, практично, як правило, на фідерній зонірухається декілька поїздів (тобто, електровозів), а приорганізації швидкісного і високошвидкісного руху пла-нується взагалі пакетний графік руху поїздів з 5…6 по-їздами в пакеті [4, 25] на фідерній зоні. До цього требадодати, що і зараз високовагові поїзди (кожний) ведутьсядвома, а то і трьома електровозами: двома – в «голові» іодним – в «хвості» (штовхач) поїзда.

По-третє, як зазначено в [15], при аналізі електромаг-нітних і електроенергетичних процесів в підсистемі тяго-вого електропостачання неможна обмежуватись однієюфідерною зоною, а треба розглядати 7 зон.



Рис. 7. Електрична схема тягового перетворювача електровоза ДС3

Четверте, зрозуміло, що практичною і закономірноює необхідність врахування руху поїздів на другій сусіднійколії , тобто потрібно врахування двоколійностіміжпідстанційних ділянок.

І, нарешті, на сьогодні при розрахунках шляхом мо-делювання процесів в пристроях СЕТ приймається знач-на кількість припущень, які суттєво знижують точністьмоделей і результати їх розрахунків.

Зазначене вище дозволяє стверджувати, що практич-но неможливо побудувати точну математичну модельтакої складної нелінійної динамічної потужної системияк СЕТ тільки, як це зараз здійснюється, на основі теоре-тичного аналізу фізичних процесів, що протікають в при-строях чи підсистемах цієї системи з наступним викори-станням законів і методів теоретичної електротехніки.Якраз зазначене практично і гальмує математичне мо-делювання, а отже і прогнозування, процесів в перспек-тивних СЕТ, особливо тих, що модернізуються для впро-вадження швидкісного і високошвидкісного руху поїздів.На нашу думку, розв’язання цієї проблеми можливо од-ночасним створенням математичних моделей одних при-строїв чи підсистем всієї СЕТ на основі теоретичногоаналізу процесів, а для інших – методами ідентифікації;назвемо таке моделювання «комбінованим» математич-ним моделюванням.

В класичному прийнятті [26–29], під ідентифікацієюрозуміється задача визначення структури і (або лише)параметрів даного досліджуваного пристрою чи підсис-теми за відомими в ньому вхідній x(t) і вихідній y(t) змінни-ми в часі функціями, що отримані апріорно чи синхрон-ним записом в умовах нормального функціонування

зазначеного пристрою чи підсистеми. Структурно, зада-ча полягає у визначенні певного оператора (закону) At,за допомогою якого функції x(t) становиться увідповідність (визначається) функція y(t) (рис. 8):y(t)=At⋅x(t), де індекс t означає залежність оператора відчасу, тобто він являється динамічним оператором, дина-мічною характеристикою пристрою чи підсистеми.

Наприклад, якщо в якості елементарного досліджува-ного пристрою уявити собі відому ділянку електричногокола з послідовним з’єднанням резистора R, індуктивностіL і ємності C, по якій протікає струм i(t), тоді спад напругиu(t) на цій ділянці, як відомо, можна записати так:

).()(1)(0

tudttiCdt

diLtRit

=++ ∫

В розглядуваному випадку вхідною змінною є струмi(t), вихідною – u(t), а оператором являється інтегро-ди-ференціальний оператор вигляду:

∫++=t

t dtCdt

dLRA0

.1 (1)

Пристрій(підсистема),

Аt

x t( ) y t( )

Рис. 8. Пристрій чи підсистема з вхідною x(t) і вихідною y(t)змінними в часі функціями

25


Власне вигляд, тобто структура оператора At разом звиглядом його параметрів являє собою математичнумодель «вхід-вихід», побудованої за апріорною і експе-риментальною інформацією про досліджуваний пристрійчи підсистему (рис. 8). Тому методи ідентифікації – цеметоди побудови (створення) математичних моделей«вхід-вихід», створених за апріорними і експерименталь-ними даними, отриманими відносно розглядуваногопристрою чи підсистеми.

В залежності від повноти і рівня апріорної інформаціїрозрізняють задачі ідентифікації у вузькому і широкомузмісті [29–31]. Перша задача полягає у наступному. Рівеньапріорної інформації відносно процесів функціонуван-ня досліджуваного пристрою і досвід експлуатації по-дібних пристроїв такий, що структура оператора (моделі)постулірується (задається апріорно). Тоді задача полягаєу визначенні лише невідомих параметрів оператора (мо-делі). Таку ідентифікацію називають параметричною іден-тифікацією; це задача «сірого ящика», оскільки структу-ра оператора At (рис. 8) задається. Тобто, наприклад, якщооператор (1) вважається апріорно відомим, то певнимметодом ідентифікації визначаються лише його парамет-рами R, L і C.

Задача в широкому змісті являє собою кібернетичнузадачу «чорного ящика» і полягає у визначенні структу-ри оператора (моделі) разом з його параметрами. Такуідентифікацію називають структурною.

Розв’язання зазначених вище задач ідентифікації не-можливо без експериментальних даних вхідних і вихіднихзмінних досліджуваного пристрою. При цьому останнійможе піддаватися дії власних, тобто робочих, сигналів, аможе застосовуватись штучний тестовий вхідний сигналx(t) [32–34]. Вхідна x(t) і вихідна y(t) змінні (сигнали) мо-жуть бути задані у дискретній і неперервній формах, атакож можуть бути детермінованими і стохастичними.В залежності від цього і оператор (математична модель)являється детермінованим чи стохастичним.

Методи ідентифікації достатньо розвинуті для лінійнихсистем з детермінованими величинами x(t) і y(t) [27–30], уменшій ступені – для нелінійних систем і знаходяться напочатковій стадії у випадках стохастичної зміни вхідної x(t)і вихідної y(t) величин. Що ж стосується методів «комбіно-ваного» математичного моделювання, сутність якого заз-началась вище, то автору невідомі публікації з цих методів.І в той же час, таке моделювання володіє гнучкістюрозв’язання задач для складних систем, якими, зокрема, і єсистеми електричної тяги. Гнучкість полягає в тому, щодля пристроїв чи підсистем типу «чорного ящика» буду-ють моделі «вхід-вихід» методами ідентифікації, а для іншихпристроїв цієї ж досліджуваної системи – створюють мо-делі «звичайні», на базі схем заміщення. Наприклад, досл-іджуючи електротягове навантаження на певній фідернійзоні між тяговими підстанціями ТП1 і ТП2, будують мате-матичну модель цієї зони як «звичайну» на основі аналізупроцесів, що в ній протікають, а ділянки зовнішні з ТП1 і

ТП2 заміщують ідентифікаційними моделями «вхід-вихід».Такий підхід значно спрощує аналіз електромагнітних іелектроенергетичних процесів в будь-якій складній елект-ротехнічній системі, а, отже, являється ефективним длярозв’язання задач, які стоять перед спеціалістами елект-ричного транспорту при впровадженні швидкісного і ви-сокошвидкісного руху поїздів.

ВИСНОВКИПерспективні, які забезпечують впровадження швид-

кісного і високошвидкісного рушу поїздів, підсистемитягового електропостачання і електрорухомого складуза схемами занадто складі нелінійні динамічні та ще йпотужні, що суттєво утворює аналіз в них електромагні-тних процесів на основі створення класичних (точних)математичних моделей.

Методи параметричної чи структурної ідентифікації,які є методами створення математичних моделей «вхід-вихід», спрощують моделювання пристроїв систем елек-тричної тяги.

Запропонований метод «комбінованого» математич-ного моделювання є найбільш доцільним методом роз-рахунку електромагнітних процесів в усій системі елект-ричної тяги при умові врахування пакетного графіку рухупоїздів і наявності декількох міжпідстанційних зон.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. Высокоскоростное пассажирское движение (на же-

лезных дорогах) ; под. ред. Н. В. Колодяжного. – М. :Транспорт, 1976. – 416 с.

2. Хворост Н. В. Электрические железные дороги: эта-пы и перспективы развития / Н. В. Хворост,Н. В. Панасенко // Електротехніка і електромеханіка. –2003. – № 4. – С. 104–114.

3. Киселев И. П. Развитие высокоскоростного железно-дорожного подвижного состава / И. П. Киселев //Материалы международного симпозиума«Eltrans 2001», Санкт-Петербург. – 2002. – С. 190–199.

4. Степанская О. А. Формирование токовых нагрузокна систему тягового электроснабжения при скорос-тном движении поездов / О. А. Степанская, А. Т. Бур-ков // Материалы международного симпозиума«Eltrans2001», Санкт-Петербург. – 2002. –С. 340–346.

5. Хворост Н. В. Совершенствование электрической тягипостоянного тока железных дорого Украины для ско-ростного пассажирского движения / [Хворост Н. В.,Гончаров Ю. П., Панасенко Н. В., Панасенко Н. Н. ]// Залізничний транспорт України. – 2003. – № 6. –С. 25–31.

6. Корниенко В. В. Тенденции развития хозяйства элек-трификации и электроснабжения железных дорогУкраины / В. В. Корниенко // Материалы междуна-родного симпозиума «Eltrans2001», Санкт-Петер-бург. – 2002. – С. 41–45.

`

`

``



7. Косарев А. Б. Проблемы развития скоростного дви-жения / А. Б. Косарев, О. Н. Назаров // МатериалыВторого международного симпозиума«Eltrans2003», Санкт-Петербург. – 2003. – С. 42–54.

8. Данільченко В. І. Розвиток господарства електропоста-чання Укрзалізниці на період до 2020 року /В. І. Данільченко, І. І. Лагута, В. О. Фітін // Матеріалинаук.-техн. конференції «Транселектро-2010». – 2010. –С. 61–68.

9. Курбасов А. С. Система электрической тяги ХХІ века/ А. С. Курбасов // Железные дороги мира. – 1999. –№ 4. – С. 19–22.

10. Киселев И. П. Высокоскоростной железнодорожныйтранспорт: современные вызовы и перспективі раз-вития / И. П. Киселев // Железнодорожный транс-порт. – 2012. – № 11. – С. 44–49.

11. Бурков А. Т. Выбор рода тока и уровня напряженияэлектрического транспорта новых поколений /А. Т. Бурков // Материалы международного симпо-зиума «Eltrans2001», Санкт-Петербург. – 2002. –С. 37–40.

12. Марыкин А. Н. Схемотехника современных тяговыхподстанций постоянного тока и перспективные сис-темы электроснабжения / А. Н. Марыкин // Матери-алы международного симпозиума «Eltrans2001»,Санкт-Петербург. – 2002. – С. 147–155.

13. Котельников А. Основные требования к системам иустройствам тягового электроснабжения скоростныхи высокоскоростных магистралей / А. Котельников// 6th Internotional Conference «Modern ElectricTraction in Integrated XXIst Century Europe»,Warszawa, Poland. – 2003. – Р. 35–41.

14. Бадер М. П. Концепция обновления и перспективытехнического развития систем тягового электроснаб-жения / М. П. Бадер, В. Г. Сыченко // Технічна елек-тродинаміка. Темат. вип. Силова електроніка та енер-гоефективність. Частина 2. – Київ. – 2009. – С. 88–93.

15. Сиченко В. Г. Розвиток наукових основ підвищенняелектромагнітної сумісності підсистем електричноїтяги постійного струму залізничного транспорту:дис. ... доктора техн. наук / В. Г. Сиченко. – Днепро-петровск, 2011. – 396 с.

16. Лашко А. Д. Технічні вимоги до тягового рухомогоскладу нового покоління / А. Д. Лашко, С. Г. Гри-щенко // Залізничний транспорт України. – 2008. –№ 3. – С. 11–14.

17. Сорин Л. Н. Пассажирские электровозы России /Л. Н. Сорин, А. Л. Носков // Материалы международ-ного симпозиума «Eltrans 2001», Санкт-Петербург. –2002. – С. 203–210.

18. Сорин Л. Н. Электровозы нового поколения и орга-низация их разработки [Текст] / Л. Н. Сорин, В. П.Янов // Материалы Второго международного сим-позиума «Еltrans 2003», Санкт-Петербург. – 2003. –С. 115–122.

`

`

`

`

`

19. Сергіенко М. І. Основні вимоги і схемотехнічні рішен-ня тягового частотно-регульованого електроприво-ду пасажирських електровозів / М. І. Сергіенко,М. В. Панасенко // Залізничний транспорт України. –2009. – № 5. – С. 43–54.

20. Панасенко Н. В. Концепция силовых схем тяговыхасинхронных электропередач магистральных элект-ровозов разных категорий и назначения для желез-ных дорог Украины / Н. В. Панасенко, Н. Н Панасен-ко, В. Н. Панасенко // Вестник ВЭлНИИ, Новочер-касск, ОАО «ВЭлНИИ». – 2008. – № 3 (52). – С. 15–20.

21. Максимчук В. Ф. Стабілізуючі тягові перетворю-вальні агрегати з системою активної фільтрації дляелектропостачання тягових мереж постійного стру-му швидкісних магістралей / В. Ф. Максимчук,М. В. Панасенко, В. Г. Сиченко // Залізничний транс-порт України. – 2011. – № 6. – С. 26–31.

22. Сергіенко М. І. Структура тягових частотно-регуль-ованих електроприводів сучасних пасажирських елек-тровозів з асинхронними тяговими двигунами /М. І. Сергіенко, О. Ю. Чудний, Р. О. Панченко // Локо-мотив-інформ. – 2010. – С. 4–10.

23. Логинов С. В. Проектирование электрической тяги сучетом требований к инфраструктуре на магистра-лях скоростного и высокоскоростного движения по-ездов. / С. В. Логинов, А. А. Наумов, А. В. Наумов // Тезисы Шестого международного симпозиума«Еltrans 2011», Санкт-Петербург. Сентябрь, – 2011. –С. 75–76.

24. Гетьман Г. К. Теория электрической тяги: моногра-фия: в 2т. / Г. К. Гетьман. – Днепропетровск : Мако-вецкий, 2011. – Т. 1. – 456 с.

25. Степанская О. А. Исследование электрических на-грузок на тяговую сеть при скоростном движениипоездов. / О. А. Степанская // Материалы Второгомеждународного симпозиума «Eltrans‘2003», Санкт-Петербург. –2003. – С. 434–439.

26. Райбман Н. С. Что такое идентификация / Н. С. Райб-ман. – М. : Наука, 1970. – 117 с.

27. Гроп Д. Методы идентификации систем: моногра-фія / Д. Гроп. – М. : Мир, 1979. –302 с.

28. Современные методы идентификации систем ; подред. П. Эйкхоффа. – М. : Мир, 1983. – 400 с.

29. Каминскас В. Идентификация динамических системдо дискретным наблюдениям : монографія / В. Ка-минскас. – Вильнюс : Мокслас, Часть 1, 1982. – 245 с.Часть 2, 1985. –153 с.

30. Буштрук А. Д. Структурная идентификация нели-нейных динамических объектов / А. Д. Буштрук //Автоматика и телемеханика. – 1989. – № 10. –С. 84–93.

31. Балонин Н. А. Идентификация параметров систем врежиме их нормального функционирования /Н. А. Балонин, О. С. Попов // Автоматика и телеме-ханика. – 1992. – № 8. – С. 98–103.

`

27


32. Овчаренко В. Н. Планирование идентифицирующихвходных сигналов в линейных динамических систе-мах / В. Н. Овчаренко // Автоматика и телемеханика. –2001. – № 2. – С. 75–87.

33. Бунич А. Л. Идентификация дискретных линейныхобъектов с большим отношением сигнал/шум /

А. Л. Бунич // Автоматика и телемеханика. – 2001. –№ 3. – С. 53–62

34. Гетманов В. Г. Алгоритм идентификации для линей-ной дискретной динамической системы управления /В. Г. Гетманов // Автоматика и телемеханика. – 2001. –№ 4. – С. 27–34.


Мищенко Т. Н. Канд. техн. наук, доцент, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорту име-

ни академика В. Лазаряна, УкраинаПЕРСПЕКТИВЫ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДОВРассмотрена и проанализирована схемотехника и параметры перспективных подсистем тягового элект-

роснабжения и электроподвижного состава, которые смогут обеспечить внедрение скоростного и высоко-скоростного движения поездов. Указано, что такие подсистемы электрической тяги являются очень слож-ными и к тому же нелинейными, динамическими и мощными, что и обусловливает практическую невозмож-ность построения их точных классических математических моделей. В работе предлагается создавать мате-матические модели для таких подсистем, а значит и для всей системы электротяги, методами идентифика-ции, параметрической или структурной.

Ключевые слова: высокоскоростное движение, идентификация, математическая модель, тяговое элект-роснабжение, схемотехника, электроподвижной состав, поезда, железнодорожный транспорт.

Mishchenko T. M.Ph.D., Associate Professor, Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician

V. Lazaryan, UkraineTHE PROSPECTS OF THE TECHNICAL SOLUTIONS AND MODELING SYSTEMS OF ELECTRIC

TRACTION IN HIGH-SPEED TRAINSThe comparative analysis of advanced circuit solutions and parameters of traction electric supply and electric rolling

stock provides the organization and the introduction of high-speed movement of trains on the Railways of Ukraine. It isestablished that the force of the current system of electric traction with the constant voltage 3,3 kV is appropriate to thestress increase in the traction network in the first stage up to 6 kV, and then to 2 kV due to the transition from the existingcentralized system of power supply of the traction to the network distributed power. In the field of electric rolling stock allexperts believe that it is necessary to create a universal multi-system locomotives on the basis of brushless electric tractionmotors, as a rule, asynchronous shorted ones.

These subsystems of electric traction, traction electric supply and electric rolling stock are very complex and, inaddition, non-linear, dynamic, and powerful ones and this determines the practical impossibility of their exact classicalmathematical models construction. It is proposed to create the mathematical model for such subsystems, and thus for theentire system of electric traction by the methods of parametric or structural identification.

Keywords: high-speed movement, identification, mathematical model, traction power supply, circuitry, electric rollingstock, trains, railway transport.

REFERENCES1. Vysokoskorostnoe passazhirskoe dvizhenie (na

zheleznyx dorogax). Pod.red. N. V. Kolodyazhnogo.Moscow, Transport, 1976, 416 p.

2. Xvorost N.V., Panasenko N. V. E’lektricheskie zheleznyedorogi: e’tapy i perspektivy razvitiya. Elektrotexnіka іElektromexanіka, 2003, No. 4, pp. 104–114.

3. Kiselyov I. P. Razvitie vysokoskorostnogozheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava, Materialymezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans 2001», Sankt-Peterburg, 2002, pp. 190–199.

4. Stepanskaya O. A., Burkov A. T. Formirovanie tokovyxnagruzok na sistemu tyagovogo e’lektrosnabzheniyapri skorostnom dvizhenii poezdov, Materialymezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans-2001». Sankt-Peterburg, 2002, pp. 340–346.

5. Xvorost N.V., Goncharov Yu. P., Panasenko N. V.,Panasenko N. N. Sovershenstvovanie e’lektricheskojtyagi postoyannogo toka zheleznyx dorogo Ukrainydlya skorostnogo passazhirskogo dvizheniya,Zalіznichnij transport Ukraїni, 2003, No. 6, pp. 25–31.

6. Kornienko V. V. Tendencii razvitiya xozyajstvae’lektrifikacii i e’lektrosnabzheniya zheleznyx dorogUkrainy, Materialy mezhdunarodnogo simpoziuma«Eltrans 2001», Sankt-Peterburg, 2002, pp. 41–45.

7. Kosarev A. B., Nazarov O. N. Problemy razvitiyaskorostnogo dvizheniya, Materialy Vtorogomezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans 2003», Sankt-Peterburg, 2003, pp. 42–54.

8. Danilchenko V. I., Laguta I. I., Fitin V. O. Rozvytokgospodarstva elektropostachannya Ukrzaliznyci naperiod do 2020 roku, Materialy‘ nauk.-texn.konferenciyi «Transelektro-2010», 2010, pp. 61–68.

`

`

`



9. Kurbasov A. S. Sistema jelektricheskoj tjagi HHІ veka,Zheleznye dorogi mira, 1999, No. 4, pp.19–22.

10. Kiseljov I. P. Vysokoskorostnoj zheleznodorozhnyjtransport: sovremennye vyzovy i perspektivі razvitija,Zheleznodorozhnyj transport, 2012, No. 11, pp. 44–49.

11. Burkov A. T. Vybor roda toka i urovnja naprjazhenijajelektricheskogo transporta novyh pokolenij, Materialymezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans 2001». Sankt-Peterburg, 2002, pp. 37–40.

12. Marykin A. N. Shemotehnika sovremennyh tjagovyhpodstancij postojannogo toka i perspektivnye sistemyjelektrosnabzhenija, Materialy mezhdunarodnogosimpoziuma «Eltrans 2001». Sankt-Peterburg, 2002,pp. 147–155.

13. Kotel’nikov A. Osnovnye trebovanija k sistemam iustrojstvam tjagovogo jelektrosnabzhenija skorostnyhi vysokoskorostnyh magistralej, 6th InternotionalConference «Modern Electric Traction in IntegratedXXIst Century Europe», Warszawa, Poland, 2003,pp. 35–41.

14. Badjor M. P., Sychenko V. G. Koncepcija obnovlenija iperspektivy tehnicheskogo razvitija sistem tjagovogojelektrosnabzhenija, Tehnіchna elektrodinamіka.Temat. vip. Silova elektronіka ta energoefektivnіst’.Chastina 2, Kiїv, 2009, pp. 88–93.

15. Sichenko V. G. Rozvitok naukovih osnov pіdvishhennjaelektromagnіtnoї sumіsnostі pіdsistem elektrichnoї tjagipostіjnogo strumu zalіznichnogo transportu: dis. ...doktora tehn. nauk. Dnepropetrovsk, 2011, 396 p.

16. Lashko A. D., Grishhenko S. G. Tehnіchnі vimogi dotjagovogo ruhomogo skladu novogo pokolіnnja,Zalіznichnij transport Ukraїni, 2008, No. 3, pp. 11–14.

17. Sorin L. N., Noskov A. L. Passazhirskie jelektrovozyRossii, Materialy mezhdunarodnogo simpoziuma«Eltrans‘2001». Sankt-Peterburg, 2002, pp. 203–210.

18. Sorin L. N., Janov V. P. Jelektrovozy novogo pokolenijai organizacija ih razrabotki [Tekst], Materialy Vtorogomezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans2003». Sankt-Peterburg, 2003, pp. 115–122.

19. Sergienko M. I., Panasenko M. V. Osnovni vymogy isxemotexnichni rishennya tyagovogo chastotno-regulovanogo elektropryvodu pasazhyrskyxelektrovoziv, Zaliznychnyj transport Ukrayiny, 2009,No. 5, pp. 43–54.

20. Panasenko N. V., Panasenko N. N., Panasenko V. N.Koncepcija silovyh shem tjagovyh asinhronnyhjelektroperedach magistral’nyh jelektrovozov raznyhkategorij i naznachenija dlja zheleznyh dorog Ukrainy,

`

`

`

21. Maksimchuk V. F. Panasenko M. V., Sichenko V. G.Stabіlіzujuchі tjagovі peretvorjuval’nі agregati zsistemoju aktivnoї fіl’tracії dlja elektropostachannjatjagovih merezh postіjnogo strumu shvidkіsnihmagіstralej, Zalіznichnij transport Ukraїni, 2011,No. 6, pp. 26–31.

22. Sergienko M. I., Chudnyj O. Yu., Panchenko R. O.Struktura tyagovyx chastotnoregulovanyxelektropryvodiv suchasnyx pasazhyrskyx elektrovozivz asynxronnymy tyagovymy dvygunamy,Lokomoty‘vinform, 2010, pp. 4–10.

23. Loginov S.V., Naumov A. A., Naumov A. V. Proektirovaniejelektr icheskoj tjagi s uchjotom trebovanij kinfrastrukture na magistraljah skorostnogo ivysokoskorostnogo dvizhenija poezdov, TezisyShestogo mezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans-2011». Sankt-Peterburg, Sentjabr’, 2011, pp. 75–76.

24. Get’man G. K. Teorija jelektricheskoj tjagi: monografija:v 2t. Dnepropetrovsk, Makoveckij, 2011, T. 1, 456 p.

25. Stepanskaja O. A. Issledovanie jelektricheskih nagruzokna tjagovuju set’ pri skorostnom dvizhenii poezdov,Materialy Vtorogo mezhdunarodnogo simpoziuma«Eltrans2003». Sankt-Peterburg, 2003, pp. 434–439.

26. Rajbman N. S. Chto takoe identifikacija. Moscow, Nauka,1970, 117 p.

27. Grop D. Metody identifikacii sistem: monografіja.Moscow, Mir, 1979, 302 p.

28. Sovremennye metody identifikacii sistem. Pod red.P. Jejkhoffa. Moscow, Mir, 1983, 400 p.

29. Kaminskas V. Identifikacija dinamicheskih sistem dodiskretnym nabljudenijam : monografіja. Vil’njus,Mokslas, Chast’ 1, 1982, 245 p. Chast’ 2, 1985, 153 p.

30. Bushtruk A. D. Strukturnaja identifikacija neli-nejnyhdinamicheskih ob#ektov, Avtomatika i telemehanika,1989, No. 10, pp. 84–93.

31. Balonin N. A., Popov O. S. Identifikacija parametrovsistem v rezhime ih normal’nogo funkcionirovanija,Avtomatika i telemehanika, 1992, No. 8, pp. 98–103.

32. Ovcharenko V. N. Planirovanie identificirujushhihvhodnyh signalov v linejnyh dinamicheskih sistemah,Avtomatika i telemehanika, 2001, No. 2, pp. 75–87.

33. Bunich A. L. Identifikacija diskretnyh linejnyh ob#ektovs bol’shim otnosheniem signal/shum, Avtomatika itelemehanika, 2001, No. 3, pp. 53–62.

34. Getmanov V. G. Algoritm identifikacii dlja linejnojdiskretnoj dinamicheskoj sistemy upravlenija,Avtomatika i telemehanika, 2001, No. 4, pp. 27–34

Vestnik VJelNII, Novocherkassk, OAO «VJelNII», 2008,No. 3 (52), pp. 15–20.

`

29


УДК 656.13.02

Трушевський В. Е.Аспірант Національний транспортний університет, Україна, E-mail: [email protected].

ЗАСТОСУВАННЯ АВТОМАТИЧНИХ СТРІЛОК ТРОЛЕЙБУСУ ЯКДЕТЕКТОРІВ В СИСТЕМАХ СВІТЛОФОРНОГО АВТОРЕГУЛЮВАННЯ

Для удосконалення світлофорного регулювання пропонується пристрій з пасивним датчиком, що передаєсигнал про приближення до перехрестя тролейбусу та напрям його подальшого руху на дорожній контролер.

Ключові слова: стрілка, тролейбус, струм, світлофор, датчик, контролер, перехрестя, авторегулювання,фаза.

АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙАДАПТИВНОГО УПРАВЛІННЯ СВІТЛО-ФОРНОЮ СИГНАЛІЗАЦІЄЮ

Останнім часом актуальності набула проблема підви-щення ефективності використання пропускної спромож-ності міських регульованих перехресть. Невідповідність па-раметрів світлофорних режимів динамічним транспортнимпотокам призводить до утворення заторів, що погіршуютьекологічну ситуацію, призводять до простоїв транспортнихзасобів та втрат часу пасажирами, виступають побіжнимипричинами дорожньо-транспортних пригод [1].

При застосуванні на вулично-дорожній мережі міставтоматизованих систем управління дорожнім рухом(АСУДР) постає необхідність корекції координованихсвітлофорних режимів з огляду на транспортні засобигромадського користування, яким через особливі ди-намічні характеристики та наявність зупинок притаманнірежими руху, відмінні від режимів руху загального транс-портного потоку. В той-же час, через високу у порівнянніз легковим автомобілем пасажиромісткість, простоїтранспортних засобів громадського користування при-зводять до значних сукупних втрат часу учасниками до-рожнього руху, передусім тими пасажирами, що пере-бувають в цих транспортних засобах, та, через збільшен-ня інтервалів руху, тими пасажирами, що чекають на цейтранспорт на зупинках [2].

У системах ізольованого світлофорного регулюван-ня та в АСУДР ефективно здійснювати коригування па-раметрів регулювання залежно від прибуття до зони ре-гулювання рухомого складу громадського транспортудозволяють системи авторегулювання, що в основномудіють за алгоритмами, які залежать від прийнятих стра-тегій регулювання. Системи пріоритетного пропускугромадського транспорту можуть бути класифіковані потрьом стратегіям: пасивна, активна та адаптивно-опера-тивна [3]. Пасивні стратегії працюють безперервно неза-лежно від того, чи наявний перед перехрестям рухомийсклад громадського транспорту, чи ні та не вимагаютьсистеми виявлення рухомого складу громадського транс-порту. Активні стратегії використовують системи вияв-лення рухомого складу громадського транспорту длятого, щоб виявити транспортні засоби, які підлягають

пріоритету. Адаптивно-оперативна стратегія забезпечуєпріоритет, одночасно випробовуючи та оптимізуючизадані критерії роботи.

ВИЗНАЧЕННЯ ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯДля ефективного застосування алгоритмів активної

стратегії слід надійно та своєчасно виявляти наближеннятранспортного засобу громадського користування дозони регулювання. Для цього використовуються датчи-ки різної конструкції та різного принципу дії.

Такий вид міського електричного транспорту як тро-лейбус має деякі особливості режиму руху, що більшоюмірою проявляються поблизу перехресть. Наявність кон-тактної мережі викликає необхідність проходження спец-іальних частин ліній (зокрема, стрілок) зі зниженою швид-кістю. Крім того, спеціальні частини є ключовими еле-ментами, які визначають режим руху тролейбусів у всійзоні регулювання [4].

Необхідно розробити надійний детектор тролейбусів,що при наближенні їх до перехрестя надійно і завчасновизначав наявність тролейбуса та напрям його подаль-шого руху.

ВДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇСТРІЛКИ ДЛЯ ВИКОРИСТАННЯВ ЯКОСТІ ДЕТЕКТОРА

Тролейбусна стрілка в місцях розходження лінії пра-цює за таким принципом (рис. 1): у випадку, якщо тролей-бус проїздить стрілку, обмежену ізоляторами 1 та закріп-лену розтяжками 5, ліворуч, водій під час проходженнястрілки відключає тролейбусний двигун, сильно знижую-чи витрату струму тролейбусом з контактної мережі 3.Привод стрілки, що являє собою електромагніти 2, якізмінюють положення направляючих 4, спрацьовує лишев тому випадку, коли обмоткам електромагнітів, підклю-ченим у стрілці послідовно до електричного ланцюга тро-лейбуса, достатньо для спрацювання величини струму,що проходить через них. Спрацювання приводу і переве-дення штанг праворуч досягається за рахунок ввімкненнядвигуна під час проходження стрілки та збільшення такимчином сили струму через електромагніти.

© Трушевський В. Е., 2014

Аналізуючи роботу керованої тяговим струмом тро-лейбусної стрілки, можна зауважити, що переведення



Рис. 1. Будова тролейбусної стрілки

Рис. 2. Електрична схема пропонованого пристрою,виконана у програмі Electronic Workbench

У випадку, проходження тролейбусом стрілки ліворуч,від плюсового дроту через описаний вище ланцюг до міну-сового дроту проходить струм величиною більше 30 А.Оскільки всі перелічені елементи мережі підключено по-слідовно, то сила струму через кожен із них буде однако-вою. Цієї сили струму достатньо для спрацювання елект-ромагнітів 1 і 2 та реле струму 3 і 4. Під дією електро-магнітів 1 і 2 пір’я стрілки змінюють своє положення, ітролейбусні штанги переводяться на ліву лінію, а спрацю-вання реле струму 3 та 4 викликає замикання між собоюконтактів 6, 7 і 8. Проте, за рахунок різниці потенціалів наконтактах обмотки, спрацює реле 5, тому проходженняструму між клемами 7 і 8 не буде допущено.

ДОЦІЛЬНІСТЬ ЗАСТОСУВАННЯСХЕМИ

За рахунок застосування схеми стає можливим безпідключення додаткових датчиків встановити подальшийнапрям руху тролейбуса на перехресті в момент проход-ження стрілки, що є необхідною умовою для здійсненняефективного гнучкого регулювання руху на перехресті зарахунок виклику та пропуску фаз, до яких включено напря-ми регулювання, що містять тролейбусні траєкторії руху.

Таким чином можливо досягти заощадження елект-ричної енергії на розгін тролейбусів, та зменшення часупростоїв пасажирів тролейбусів перед перехрестям вочікуванні дозволяючого світлофорного сигналу. Серед-ня тривалість затримки одного тролейбуса буде дорів-нювати половині тривалості заборонного світлофорно-го сигналу у циклі регулювання. Протягом години три-валість цих затримок при жорсткому регулюванні визна-чається таким чином [5]:

цзатр-ж ,

2 3600

тОТT t

T N−

=⋅

(1)

де N – інтенсивність руху тролейбусів, од./год.; цT – три-валість циклу світлофорного регулювання, с; тОТt – три-

штанг тролейбуса в напрямі «праворуч» завжди супро-воджується проходженням через електромагніти, які євиконавчими елементами стрілки, електричного сигналу,що характеризується силою струму, яка дорівнює стру-мові спрацювання електромагнітної системи (30–60 А)залежно від налаштування стрілки. Під час проходженняштанг в інших напрямах через мережу магнітів проходитьструм, що дорівнює струмові власних потреб тролейбусата до спрацювання електромагнітної системи не призво-дить. У час, коли струмознімачі на стрілці відсутні, струмчерез мережу електромагнітів не проходить взагалі. Та-ким чином, поява електричного струму 30-60 А є озна-кою прибуття до перехрестя тролейбуса, що рушить ліво-руч; поява струму менше 30 А свідчити про прибуттятролейбуса, що рушить прямо чи праворуч.

Для перетворення цього сигналу в сигнал виклику, про-довження чи пропуску певних елементів циклу світлофор-ного регулювання пропонується використати пасивнийдатчик (рис. 2), який складається з двох реле струму та елек-тромагнітного реле. При розробці цього пристрою дотри-мані норми електробезпеки (контактна мережа тролейбу-су напругою 600 В гальванічно ізольована від сигнальноїмережі дорожнього контролера напругою 5–12 В.

Виходи 6, 7 та 8 підключаються до викличного блокудорожнього контролера замість кнопок, які застосову-ються для виклику фаз регулювання. Електромагніти 1 та2 підключаються до мінусового та плюсового дротів кон-тактної мережі відповідно (у випадку, якщо плюсовий тамінусовий дріт розташовані в іншому порядку, змінюєть-ся полярність підключення реле струму).

У випадку, коли тролейбус проходить стрілку право-руч, від плюсового контактного дроту через реле стру-му 4 та 3, електромагніт 2, допоміжний електричний лан-цюг тролейбуса, електромагніт 1, проходить струм вели-чиною більше 1 А та менше 30А, оскільки двигун відклю-чено. Оскільки всі перелічені елементи мережі підклю-чено послідовно, значить сила струму через кожен із нихбуде однаковою. Цієї сили струму недостатньо для спра-цювання електромагнітів 1 і 2 та реле струму 3, протедостатньо для спрацювання реле струму 4. Таким чи-ном, реле 4 спрацює та замкне клеми 7 і 8 через нор-мально замкнені контакти реле 5.

31


валість основного такту світлофорного регулюванняфази, до якої включено напрям руху, що містить тролей-бусну траєкторію, с.

Тривалість затримки тролейбусів (год./год.) протягомгодини при адаптивному регулюванні визначається заформулою [5]

( )( )

ц

затр-а1

.2 3600

тОТT t

mT N

−−

=⋅

(2)

де m – кількість фаз світлофорного регулювання.Таким чином, при 2m > , середні затримки тролей-

бусів з пасажирами зменшуються в разів при застосу-ванні гнучкого регулювання з вмонтованим у тролей-бусну стрілку детектором наявності та напряму подаль-шого руху тролейбуса.

ВИСНОВКИЗапропоновано модель тролейбусного детектора на

основі пасивного датчика струму, що дозволяє надійно ізавчасно виявити факт наближення тролейбуса до пере-хрестя та встановити подальший напрямок його руху.

Це дозволить скоротити простої транспортних засобівгромадського транспорту перед перехрестями, змен-шить затримки пасажирів громадського транспорту тапозитивно вплине на загальну транспортну ситуацію.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. Кременец Ю. А. Технические средства организации

дорожного движения: учебник для вузов / Ю. А. Кре-менец, М. П. Печерский, М. Б. Афанасьев. – М. :ИКЦ «Академкнига», 2005. – 279 с.

2. Абрамова Л. С. Постановка задачи адаптивного уп-равления дорожным движением / Л. С. Абрамова,Н. С Чернобаев // Вісник Донецького інститутутавтомобільного транспорту. – 2009. – № 1. – С. 7.

3. Kim Wonho. An improved bus signal priority systemfor networks with nearside bus stops : діс. докт. філо-софії : Texas A&M University., 2004. – 239 с.

4. Афанасьев А. С. Контактные сети трамвая и трол-лейбуса/ А. С. Афанасьев. – М. : Транспорт, 1988. –264 с.

5. Иносе Х. Управление дорожным движением /Х. Иносе, Т. Тамада. – М. : Транспорт, 1983. – 247 с.


Трушевский В. Э.Аспирант, Национальный транспортный университет, УкраинаИСПОЛЬЗОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СТРЕЛОК ТРОЛЛЕЙБУСА В КАЧЕСТВЕ ДЕТЕКТОРОВ

В СИСТЕМАХ СВЕТОФОРНОГО АВТОРЕГУЛИРОВАНИЯДля усовершенствования светофорного регулирования на перекрестках предлагается устройство с пас-

сивным датчиком, передающее сигнал о приближении к перекрестку троллейбуса и его направлении дальнейше-го движения на дорожный контроллер.

Ключевые слова: стрелка, троллейбус, ток, светофор, датчик, контроллер, перекресток, авторегулирова-ние, фаза.

Trushevsky V. E.Graduate student of NTU, UkraineAPPLICATION OF AUTOMATIC SPEARS OF THE TROLLEY BUS AS DETECTORS IN

AUTOREGULATION TRAFFIC-LIGHT SYSTEMSMismatch traffic light regimes of dynamic traffic flow lead to the formation of congestion, worsening environmental

situation, leading to downtime of vehicles and passengers loss of time, perform cursory causes of road accidents Insystems of isolated traffic light regulation and automatic systems to carry out effectively the adjustment parameterdepending on arrival at the control zone of the rolling stock of public transportation systems allow auto to operate mainlyon algorithms that depend on the strategies adopted by regulation. For effective use of algorithms active strategies needreliable and timely detection of approaching public transport to the area of regulation. For improvement of the traffic-lights regulation at crossroads the device with the passive sensor transferring a signal about approach of a trolley bus toa crossroad and its further movement direction to the road controller is offered.

Keywords: arrow, trolleybus, current, traffic lights, sensor, controller, intersection, autoregulation, phase.

REFERENCES1. Kremenets Yu. A., Pecherskiy M. P., Afanasev M. B.

Tehnicheskie sredstva organizatsii dorozhnogodvizheniya: uchebnik dlya vuzov. Moscow, IKTs«Akademkniga», 2005, 279 p.

2. Abramova L. S., Chernobaev N. S. Postanovka zadachiadaptivnogo upravleniya dorozhnyim dvizheniem,

VIsnik Donetskogo Institutut avtomobIlnogotransportu, 2009, No. 1, P. 7.

3. Kim Wonho. An improved bus signal priority systemfor networks with nearside bus stops : dIs. dokt.fIlosofIYi. Texas A&M University, 2004, 239 p.

4. Afanasev A. S. Kontaktnyie seti tramvaya i trolleybusa,Moscow, Transport, 1988, 264 p.

5. Inose H., Tamada T. Upravlenie dorozhnyim dvizheniem,Moscow, Transport, 1983, 247 p.



УДК 621.316.71

Коцур М. И.Канд. техн. наук, доцент, Запорожский национальный технический университет, Украина, E-mail: [email protected]

ОСОБЕННОСТИ УДАРНОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НААСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЧАСТЫХ ПУСКОВ

Проведена сравнительная оценка скорости нарастания температуры не управляемого асинхронного дви-гателя с фазным ротором и с модифицированной системой импульсного регулирования в цепи ротора вусловиях частых пусков, в зависимости от интенсивности его разгона. Разработаны рекомендации по опти-мальному управлению асинхронным двигателем с модифицированной системой импульсного регулирования,обеспечивающие наилучший тепловой режим при его пуске.

Ключевые слова: регулирование, асинхронный двигатель, температура, пуск, импульс.

ВВЕДЕНИЕПри работе крановых асинхронных двигателей (АД)

с фазным ротором со значительными периодическимикратковременными нагрузками имеют место пики тем-пературы, которые являются опасными для изоляцииобмоток не управляемого АД и могут привести к их раз-рушению. Из-за большей инерционности системы при-водов тяжелых быстроходных мостов, тепловой режимАД в течение нескольких пусков может оказаться вышедопустимого, даже если в среднем за продолжительныйпериод частота пусков не превышает допустимого зна-чения. Быстрое повышение температуры обмоток прикратковременных перегрузках объясняется двумя при-чинами. Во-первых, потери в меди в большей степенивозрастают пропорционально квадрату момента. Во-вто-рых, при кратковременном выделении в обмотках боль-шого количества потерь основная их часть поглощаетсяза счет теплоемкости самой обмотки. При этом теплопе-редача от обмотки к сердечнику или другим частям АДзатруднена. Следствием недооценки значения этого яв-ления бывает систематический выход АД из строя приотносительно небольшой средней нагрузке [1, 2].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИВ настоящее время применяется ряд современных

систем регулирования АД, обеспечивающих не толькоповышение энергетических показателей, но и плавностьпереходных процессов, за счет которых достигается сни-жение пикового (ударного) теплового воздействия на ак-тивные элементы конструкции АД во время его пуска.

В работе [3] предложена модифицированная систе-ма импульсного регулирования (ИР) (рис. 1), имеющаяряд положительных свойств по сравнению с существу-ющими системами регулирования в цепи выпрямлен-ного тока ротора АД (классическая система импульсно-го регулирования и асинхронный вентильный каскад).

Регулирование частоты вращения ротора, как и в клас-сической системе, выполняется за счет изменения коэф-

фициента заполнения импульса (γ ) при постоянной ча-стоте коммутации силового ключа. При этом интенсив-ность разгона АД зависит от скорости изменения γ .

В настоящее время не достаточно исследован вопросопределения оптимальной скорости изменения γ в про-цессе разгона АД с модифицированной системой ИР, прикоторой величина ударной составляющей интенсивноститепловыделения имеет наименьшее значение.

Целью работы является оценка скорости нарастаниятемпературы обмотки статора АД с модифицирован-ной системой ИР в условиях частых пусков, в зависимо-сти от интенсивности его разгона.

Рис. 1. Модифицированная система ИР

© Коцур М. И., 2014

33


РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯДля проведения оценки скорости нарастания темпе-

ратуры АД с модифицированной системой ИР, в зави-симости от интенсивности его разгона, в среде MatLAB,с помощью структурных средств Simulink, разработанакомплексная имитационная модель электромагнитныхи тепловых процессов асинхронного привода. На рис. 2.данная модель представлена в виде блок-схем электро-магнитной модели АД с фазным ротором канала регу-лирования в цепи выпрямленного тока ротора и элект-ротепловой модели АД.

Электромагнитная модель АД представлена в видеизвестных дифференциальных уравнений с общеприня-тыми допущениями [4].

Блок цепи выпрямленного тока ротора представлен ввиде системы дифференциальных уравнений в зависи-мости от состояния силового ключа (IGBT транзистора)согласно приведенной схеме замещения цепи выпрям-ленного тока ротора с ИР на рис. 3.

В случае, когда силовой ключ замкнут

sEdtdi

LiR ⋅⋅=⋅+⋅ pн35,11111 , (1)

π

⋅⋅+⋅+=

sxrrR TТ

32др2 , (2)

π

⋅⋅+⋅+⋅+⋅=

sxrsrrR rms

д1

32)`(2 , (3)

д1 2 LL ⋅= , (4)

Рис. 2. Имитационная модель асинхронного привода длякомплексного исследования электромагнитных и тепловых

процессов в АД

Рис. 3. Схема замещения цепи выпрямленного тока роторадля модифицированной системы ИР

TLLL ⋅+= 2др2 , (5)

)`(2`д rsrs LLfxxx +⋅⋅π⋅=+= , (6)

где pнE – номинальное значение ЭДС ротора АД; s–

скольжение ротора АД; дрr – активное сопротивление

дросселя инвертора; дрL – индуктивность дросселя ин-вертора; rr – активное сопротивление фазы ротора АД;

rL – полная индуктивность фазы ротора; sr` – активноесопротивление фазы статора, приведенное к обмотке

ротора АД; `sL – полная индуктивность фазы статора,

приведенная к ротору АД; mr – сопротивление магнит-ного контура АД; Tr , Tx – соответственно активное ииндуктивное эквивалентные сопротивления фазы согла-

сующего трансформатора; π

⋅⋅ sxд3 – эквивалентное

сопротивление, вызванное коммутацией вентилей вып-

рямителя; π

⋅⋅ sxT3 – эквивалентное сопротивление,

вызванное коммутацией вентилей инвертора.В случае, когда силовой ключ разомкнут,

⎪⎪⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪⎪⎪

⎬

⎫

+=⋅

+⋅=⋅+++⋅

⋅=+⋅+⋅

+

∫

,,cos

,1

321

2

0323

21

111

021

111

iiiU

sEiRdtdi

Ldtdi

LiR

sEdtiCdtdi

LiR

T

d

d

β (7)

где TU2 – напряжение вторичной обмотки согласующе-го трансформатора; β – фиксированный угол инверти-рования.

В блоке расчета основных и дополнительных тепло-вых потерь в сердечниках и обмотках статора и ротораАД используются общеизвестные уравнения из [2, 5].

Электротепловая модель АД описывает тепловые пе-реходные процессы между элементами конструкции АДи позволяет учесть особенности преобразования энер-гии электромагнитного поля в тепловую энергию, а такжепроцесс теплопередачи и теплообмена [6, 7, 8, 9]. Элект-ротепловая модель АД основана на эквивалентной тепло-вой схеме (ЭТС), которая содержит как постоянные, так и



Расчет тепловых переходных процессов в АД выпол-нялся путем решения системы дифференциальных урав-нений методом Рунге-Кутта, а именно,

...Rm

kj

1ji, +Θ⋅−=⋅

Θ

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

∑=

−ii

iн

н Cdt

d

,... 1, ij

m

kjji PR н +Θ⋅+ ∑

=

−

где mkj ,...,= – номера узлов, имеющих тепловую связьс i-м участком ЭТС; iΘ – температура i -го участка ЭТС;

iC – тепловая емкость i -го участка ЭТС; 1,−

jiR – взаимная

тепловая проводимость участков ji, ; iP – тепловые по-тери, выделяемые в i-м участке ЭТС.

В качестве объекта исследования использовался АДтипа MTF-111-6, номинальной мощностью нP =3,5 кВт имоментом нагрузки нM =39 Н·м.

Для оценки эффективности управляемого приводана базе АД с фазным ротором, в данном случае моди-фицированной системы ИР, проведено исследованиеударного теплового воздействия на обмотку статора не-управляемого АД.

На рис. 4 приведены зависимости скорости нараста-

ния температуры ( )dtdΘ обмотки статора в момент пус-

ка не управляемого АД, с моментами нагрузки cM = cнM ,для основного номинального режима работы АД ПВ=0,4и cM =0,8 cнM , cM =1,2 cнM , cM =1,35 нM , соответствен-но для неосновных номинальных режимов – ПВ=0,6,ПВ=0,25, ПВ=0,15.

В момент пуска скорость нарастания температуры ло-бовой части обмотки статора АД достигает 8 °С/сек, что обус-ловлено наличием ударной составляющей тока статора. Стоитотметить, что наибольшее значение скорости нарастаниятемпературы не зависит от величины нагрузочного момен-та cM , так как в период переходного процесса развиваемаяскорость АД не достигает номинального значения, и разви-ваемый момент emM на валу превышает cM .

Использование модифицированной системы ИР АДс фазным ротором, как и любая другая система регули-рования АД, обеспечивает плавность протекания пере-ходных процессов, как в момент пуска, так и в моментторможения, что в свою очередь приводит к снижениюинтенсивности тепловыделения в обмотках АД.

На рис. 5 приведены результаты моделирования в видезависимостей скорости нарастания температуры лобо-

Рис. 4. Зависимость скорости нарастания температуры отпродолжительности разгона до установившегося режима не

управляемого АД типа MTF-111-6 для разных cM

вой части обмотки статора исследуемого АД от продол-жительности его разгона при постоянной частоте ком-мутации силового ключа kf =3 кГц, со значениями про-

изводных коэффициентов заполнения импульса dt

dγ

равных 0,33 о.е/сек (продолжительность разгона АД со-ставляет 3 сек.), 0,16 о.е/сек (6 сек.), 0,11 о.е/сек (9 сек.),0,083 о.е/сек (12 сек.) соответственно для cM =1,35 cнM ,

cM =1,2 cнM , cM = cнM , cM =0,8 cнM .Анализ полученных зависимостей показал, что ми-

нимально допустимое значение интенсивности тепло-выделения обеспечивается при

dtdγ =0,16 о.е/сек, что

соответствует продолжительности разгона АД – 6 сек.Последующее снижение

dtdγ не приводит к существен-

ным изменениям в связи с невозможностью дальнейше-го ограничения высших гармоник тока статора и роторав процессе пуска АД. По сравнению с нерегулирован-ным АД, использование модифицированной системыИР АД с фазным ротором обеспечивает снижение ско-рости нарастания температуры обмотки статора АД при

cM =1,35 cнM в 5 раз, при cM =1,2 cнM – в 6.25 раза, при

cM = cнM – в 9 раз, при cM =0,8 cнM – в 11,8 раза.Таким образом, для обеспечения оптимального теп-

лового режима АД типа MTF-111-6 с модифицирован-ной системой ИР в условиях частых пусков, достигаю-щих до 3000 включений в час, необходимо, чтобы про-должительность разгона превышала в 6 раз продолжи-тельность его разгона при прямом пуске.

ВЫВОДЫИсследование показало, что применение модифициро-

ванной системы импульсного регулирования АД на при-мере MTF-111-6 позволит снизить скорость нарастания тем-пературы обмотки статора до 12 раз по сравнению со ско-ростью нарастания температуры при его прямом пуске.

переменные теплопроводности элементов, учитывающиеизменение условий охлаждения, вызванные изменениемчастоты вращения АД. Параметры ЭТС рассчитывалисьпо общеизвестной методике расчета нагрева АД [2].

35


а) б)

в) г )

Рис. 5. Зависимости скорости нарастания температуры от продолжительности разгона до установившегося режима АД типаMTF-111-6 с модифицированной системой ИР при разных значениях производных скважности импульса: а) при cM =1,35

cнM ; б) при cM =1,2 cнM ; в) при cM = cнM ; г) при cM =0,8 cнM

Оптимальный тепловой режим для АД типа MTF-111-6 с модифицированной системой ИР в режиме пускаобеспечивается при скорости изменения коэффициентаимпульса, равного 0,16 о.е/сек. При этом продолжитель-ность разгона АД в 6 раз должна превышать продолжи-тельность его разгона при прямом пуске.

Полученные результаты исследования могут быть ис-пользованы для оптимального проектирования систем ре-гулирования, тепловой защиты АД с модифицированнойсистемой ИР, предназначенного для тяжелого режима ра-боты, где частота пусков достигает 3000 включений в час.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Краново-металлургические электродвигатели

[Текст] / [Н. М. Баталов, В. А. Белый, А. Б. Иоффе идр.]. – М. : Энергии, 1967. – 238 с.

2. Сипайлов Г. А. Тепловые гидравлические и аэроди-намические расчеты в электрических машинах [Текст]

/ Г. А. Сипайлов, Д. И. Санников, В.А. Жадан. – М. :Высш. Шк., 1989. – 240 c.

3. Коцур М. И. Особенности режимов работы моди-фицированной системы импульсного регулирова-ния асинхронного двигателя с фазным ротором[Текст] / М. И. Коцур, П. Д. Андриенко, И. М. Коцур// Електромеханічні і енергозберігаючі системи. –Кременчук : КрНУ, 2012. – №3(19). – С. 163–165.

4. Копылов И. П. Математическое моделирование элек-трических машин [Текст]/ И. П. Копылов. – М. : Выс-шая школа, 2001. – 327 с.

5. Bonnett Austin H. Operating temperatureconsiderations and performance characteristics for IEEE841 motors [Text] / Bonnett Austin H // IEEE Trans. Ind.Appl. – 2011. – 37, No. 4. – P. 1120–1131.

6. Коцур М. И. Оценка ресурса системы изоляции уп-равляемого асинхронного двигателя с фазным ро-тором в подсинхронном диапазоне частоты враще-



ния ротора [Текст] / М. И. Коцур, П. Д. Андриенко,И. М. Коцур // Восточно-Европейский журнал пере-довых технологий. – 2011. – №5/8(53). – С. 41–45.

7. Коцур М. И. Оценка теплового состояния изоляцииасинхронного двигателя с фазным ротором с моди-фицированной системой импульсного регулирова-ния [Текст] / М. И. Коцур, // Електротехніка та елект-роенергетика. – 2013. – №1. – С. 31–36.

8. Abreu J. P. Induction motor thermal aging caused byvoltage distortion and im-balance: loss of useful life

and its estimated cost [Text] / J. P. Abreu, A. E. Emanuel// IEEE Transactions on Industry Applications. – 2008. –No. 1. – P. 12–20.

9. Hameyer K. Thermal computation of electrical machines[Text]/ K. Hameyer, U. Pahner, R. Belmans, H. Hedia//3rd international workshop on electric & Magneticfields, Liиge, Belgium, May 6–9, 2009, P. 61–66.


Коцур М. І.Канд. техн. наук, доцент, Запорізький національний технічний університет, УкраїнаОСОБЛИВОСТІ УДАРНОГО ТЕПЛОВОГО ВПЛИВУ НА АСИНХРОННИЙ ДВИГУН З СИСТЕМОЮ

ІМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЮВАННЯ В УМОВАХ ЧАСТИХ ПУСКІВПроведена порівняльна оцінка швидкості наростання температури некерованого асинхронного двигуна з

фазним ротором, а також з модифікованою системою імпульсного регулювання в колі ротора в умовах частихпусків, в залежності від інтенсивності його розгону. Розроблені рекомендації щодо оптимального керуванняасинхронним двигуном з модифікованою системою імпульсного регулювання, які забезпечують найкращій теп-ловий режим при його пуску.

Ключові слова: регулювання, асинхронний двигун, температура, пуск, імпульс.

Kotsur M.Dr., Assoc. Prof., Zaporozhzhie National Technical University, UkraineFEATURES OF THE OF THERMAL EFFECT IMPACT ON THE ASYNCHRONOUS MOTOR WITH THE

MODIFIED PULSE CONTROL SYSTEM IN CONDITIONS OF FREQUENT STARTSCurrently there is no information about the optimal value of the rate of change pulse duty factor coefficient in speeding-

up modes of asynchronous motor (AM) with the modified pulse control system, where the impact components of thethermal effect intensity is the lowest one.

The aim is to estimate the derivation of the stator temperature, the temperature of AM with the modified system inconditions of frequent starts, depending on the intensity of its speed up.

To estimate the derivation of the stator temperature, the temperature of AM with the modified system, dependingintensity of its speed up the complex simulation model of electromagnetic and thermal process are designed. This modeldescribes the thermal transient process in structural elements of AM and allows considering peculiarities of electromagneticenergy transformation in thermal energy, heat transferring and heat interchanging processes. The use of AM with themodified system pulse control will reduce the derivation of the stator temperature, the temperature of AM up to 12 timescompared to derivation of the stator temperature, the temperature of AM at direct start. The optimal thermal conditionsof AM at rate of change pulse duty factor coefficient equal to 0,16 pu/s is provided.

The results of research can be used to optimize the design of pulse control systems, thermal protection of AM with themodified system for heavy-duty, where the frequency of starts reaches 3000 cycles per hour.

Keywords: regulation, asynchronous motor, temperature, start-up, pulse.

REFERENCES1. Batalov N. M., BelAy’j V. A., Ioffe A. B. and other

Kranovo-metallugricheskie иlectrodvigateli. Moscow,E’nergiya, 1967, 238 p.

2. Sipajlov G. A., Sannikov D. I., Zhadan V. A. Teplovy’egidravlicheskie i ae’rodinamicheskie paschyoty’ ve’lektricheskix mashy’nax [Text]. Moscow, Vy’ssh. Shk.,1989, 240 p.

3. Kotsur M. I., Andrienko P. D., Kotsur I. M. Operationmodes features of modificate pulse control system ofasynchronous motor with phase rotor [Text],Electromechanical and energy saving systems.Kremenchuk, KrNU, 2012, No. 3 (19), pp. 163–165.

4. Kopulov I. P. Matematicheskoe modelirovanieelectricheskih mashun. Moscow, Vusshaya. Shkola,2001, 327 p.

5. Bonnett Austin H. Operating temperatureconsiderations and performance characteristics for IEEE

841 motors [Text], IEEE Trans. Ind. Appl, 2011, 37,No. 4, pp. 1120–1131.

6. Kotsur M. I., Andrienko P. D., Kotsur I. M. Estimationof isolation system resource drive’s asynchronousmotor with phase rotor in sub synchronous frequencyrotation [Text], Eastern – European Journal ofEnterprise Technologies, 2011, №5/8(53), P. 41–45.

7. Kotsur M. I. Estimate of isolation thermal state ofasynchronous motor with phase rotor at pulse controlmodified system [Text], Electronics and electricity,2013, No. 1. Р. 31–36.

8. Abreu J. P., Emanuel A. E. Induction motor thermal agingcaused by voltage distortion and im-balance: loss of usefullife and its estimated cost [Text], IEEE Transactions onIndustry Applications, 2008, No. 1, P. 12–20.

9. Hameyer K., Pahner U., Belmans R., Hedia H. Thermalcomputation of electrical machines [Text], 3rdinternational workshop on electric & Magnetic fields,Liuge, Belgium, May 6–9, 2009, P. 61–66.

37


УДК 621.793.74

Ершов А. В.1, Зеленина Е. А.2

1Д-р техн. наук, профессор, Запорожский национальный технический университет, Украина, E-mail: [email protected]Инженер-электроник, Специализированная станция скорой помощи, Запорожье, Украина

КОНВЕКТИВНЫЙ И ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПЛАВЛЕНИИПРОВОЛОКИ В СТРУЕ ДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ

Рассмотрены особенности конвективного и лучистого теплообмена поперечного потока аргоновой плаз-мы с поверхностью оплавленного торца стальной проволоки. Показано, что конвективный тепловой потоксосредоточен на лобовой расплавленной поверхности металла, а не на всей поверхности проволоки. Выполненрасчет плотности теплового потока объемного излучения плазмы. Показано, что сферический слой плазмыаргона радиусом 2 мм является оптически прозрачным в интервале температур (8–20) 103 К, посколькустепень черноты этого слоя существенно меньше единицы. Определено, что плотность теплового потокаизлучения поверхности стального электрода пренебрежимо мала по сравнению с излучением плазмы с темпе-ратурой столба 12⋅ 103 К.

Ключевые слова: конвективный и лучистый теплообмен, критерии Нуссельта и Рейнольдса, плотностьтеплового потока, степень черноты плазмы, оптически прозрачный слой плазмы.

ВВЕДЕНИЕНанесение плазменных покрытий возможно выпол-

нить двумя методами. Первый состоит в нагреве частицпорошка, которые вводятся в струю плазмы. Второй ме-тод заключается в нагреве, расплавлении и распыленииметаллической проволоки, которая непрерывно подаетсяв струю плазмы. Электрический КПД нагрева проволокив плазменной дуге в несколько раз выше, чем при нагревепорошка. Преимуществом распыления проволоки явля-ется и гарантированное расплавление металла, в то времякак при нагреве порошка в струе плазмы такой гарантиине существует. Схема установки для нанесения покрытийиз проволоки показана на рис. 1. Электрическая дуга, го-рящая в струе плазмы между катодом – 1 и проволокой –анодом – 3, стабилизирована соплом – 2. Распыляемаяпроволока переносится струей плазмы и образует покры-тие – 4 на перемещаемой поверхности изделия – 5.

2

3

4

5

1

V

V A

A

K

Uдд

Vп U

V

Рис. 1. Схема установки для плазменного напыления

1 – катод; 2 – анод-сопло; 3 – распыляемая проволока –анод; 4 – покрытие; 5 – подложка; К – контактор; U и Uдд –напряжение основной и дополнительной дуги; V и Vп –скорости подачи проволоки и поверхности детали

Для организации стабильного процесса плазменно-го нанесения покрытий из распыляемой проволоки важ-но определить составляющие теплового потока, посту-пающего в зону плавления проволоки. Особенностьюоптимального нагрева металла является соответствиемежду скоростью подачи проволоки и величиной тепло-вого потока из плазмы в торец проволоки. При этомжелательно получить не только максимальную скоростьнагрева проволоки, но и необходимое качество распы-ления расплавленного металла, которое достигается вприосевой зоне плазменной струи. Величина тепловогопотока, поступающего из плазмы, складывается из кон-вективного и лучистого тепловых потоков, а также изанодного нагрева, связанного с протеканием разрядно-го тока. Величиной омического нагрева в проволокеобычно пренебрегают, поскольку его доля не превосхо-дит (1–2) % в общем тепловом балансе. Таким образом,актуальность исследования составляющих тепловогобаланса при плазменно-дуговом нагреве металла связа-на с оптимизацией распыления проволоки и стабильно-сти свойств наносимых покрытий.

Как показано в работах [1, 2], большое влияние натеплообмен в данных условиях оказывают конвекция иизлучение плазмы. Однако используемые подходы к рас-чету указанных величин могут иметь развитие и уточне-ние. В работах [1, 2] определяется средняя по поверхнос-ти проволоки плотность конвективного теплового пото-ка и не учитывается разность между плотностью кон-вективного теплового потока в передней критическойточке и в кормовой части поперечно обтекаемой прово-локи. При расчете излучения плазмы используется мо-дель абсолютно черного тела без оценки степени черно-ты излучателя.

Целью настоящей работы является оценка неравно-мерности распределении плотности теплового потока наповерхности поперечно обтекаемой проволоки и опре-деление степени черноты излучающей плазмы.

© Ершов А. В., Зеленина Е. А., 2014



РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНВЕКТИВНОГОТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА ПОВЕРХНОС-ТИ ПРОВОЛОКИ

Конвективный нагрев при поперечном обтеканиилобовой поверхности проволоки происходит в условияхламинарного течения, в то время как в кормовой зоне,при числе Рейнольдса больше пяти, происходит отрыв итурбулизация потока плазмы. При этом распределениеплотности теплового потока на поверхности проволокиявляется неравномерным. Характер течения определя-ется числом Рейнольдса. Плавное безотрывное обтека-ние проволоки в том виде, как это показано на рис. 2,имеет место только при числе Рейнольдса

5/Re ≤μρ= Vd , где ρ – плотность плазмы, V – скоростьнабегающего потока, d – внешний диаметр, μ – динами-ческая вязкость плазмы.

При Re>5 пограничный слой в кормовой части отры-вается от поверхности, и позади цилиндра образуютсядва симметричных вихря. При дальнейшем увеличениичисла Рейнольдса вихри вытягиваются по течению. За-тем вихри периодически отрываются от поверхности иуносятся потоком жидкости, образуя за цилиндром вих-ревую дорожку (рис. 3).

До Re≈103 частота отрыва вихря растет и в областипримерно Re=103÷2×105становится практически посто-янной величиной, характеризуемой числом СтрухаляSh=fd /V =0,2 (здесь f – частота). Отрыв пограничногослоя является следствием возрастания давления вдольпотока и подтормаживания жидкости твердой стенкой.При обтекании передней половины цилиндра сечениепотока уменьшается, а скорость жидкости увеличивает-ся, в результате чего статическое давление у поверхнос-ти стенки снижается. Наоборот, в кормовой части стати-ческое давление увеличивается, так как здесь скоростьуменьшается. За счет действия сил вязкости скорость и,следовательно, кинетическая энергия жидкости непос-

Рис. 2. Безотрывное обтекание проволоки при поперечномпотоке

Рис. 3. Обтекание цилиндра с отрывом ламинарного (а) итурбулентного (б) пограничных слоев

редственно у поверхности цилиндра малы. Возрастаниедавления вдоль потока приводит к торможению жидко-сти и последующему возникновению возвратного дви-жения. Возвратное течение оттесняет пограничный слойот поверхности тела; происходит отрыв потока и образо-вание вихрей (рис. 4). Отрыв ламинарного погранично-го слоя происходит при угле ϕ , равном примерно 80°(угол ϕ отсчитывается от лобовой образующей трубы),и имеет место вскоре после минимума давления. Есличисла Рейнольдса значительны, подтормаживание тече-ния за счет роста давления приводит не к отрыву, а кпереходу движения в слое в турбулентную форму. Тур-булентный пограничный слой обладает большей кине-тической энергией, так как последняя дополнительнопереносится в слой из внешнего потока турбулентнымипульсациями. В результате место отрыва резко смещает-ся по потоку. Смещение места отрыва приводит к умень-шению вихревой зоны за цилиндром (рис. 3), обтеканиецилиндра улучшается.

Турбулентное течение в части пограничного слоянаступает при достаточно больших значениях числа Re.Разными авторами было получено, что турбулентныйпограничный слой появляется при Re=105÷4×105. На ве-личину критического числа Рейнольдса, соответствую-щего переходу к турбулентному течению (Rekp) влияетстепень турбулентности набегающего на цилиндр пото-ка жидкости и другие факторы. Чем больше степень тур-булентности, тем при меньших значениях числа Re по-явится турбулентный пограничный слой.

Своеобразный характер обтекания проволоки отра-жается и на ее теплоотдаче. На рис. 5 показано измене-ние коэффициента теплоотдачи по окружности цилинд-ра. Кривая 1 соответствует теплоотдаче при отрыве ла-минарного пограничного слоя, кривая 2 – теплоотдачепри числе Рейнольдса больше критического. При малыхRe теплоотдача кормовой половины проволоки невели-ка; с возрастанием Re она увеличивается и может срав-няться с теплоотдачей лобовой части поверхности. Накривой 2 имеется два минимума. Первый соответствуетпереходу ламинарного течения в слое в турбулентное.Падение коэффициента теплоотдачи на лобовой частипроволоки объясняется ростом толщины ламинарногопограничного слоя. На кривой 1 минимум теплоотдачипримерно соответствует месту отрыва слоя; плазма вкормовой части проволоки имеет сложный вихревойхарактер движения.

Рис. 4. Распределение скорости у поверхности цилиндра ивозникновение отрыва течения [3–5]

39


Рис. 5. Изменение локального относительного коэффициентатеплоотдачи по окружности проволоки, обтекаемой

поперечным потоком газа при 1 – Re=70800; 2 – Re=219000;α – средний по окружности коэффициент теплоотдачи [3]

Существуют экспериментальные зависимости кри-терия Нуссельта для средней плотности теплового пото-ка на поверхности проволоки и для плотности тепловогопотока в окрестности лобовой критической точки. Призначениях числа Рейнольдса в интервале 5 < Re <103, сред-нее по поверхности проволоки число Нуссельта опреде-лится формулой [2, 3, 6].

25,038,05,0 )/(PrRe5,0 WWPPPdduN μρμρ=

λα

= . (1)

Для значений числа Рейнольдса в интервале103 < Re < 2⋅105 имеем

25,038,06,0 )/(PrRe25,0 WWPPPdduN μρμρ=

λα

= , (2)

где α – коэффициент теплоотдачи, d – диаметр проволо-ки, λ – теплопроводность, ρ – плотность, μ – динами-ческая вязкость плазмы, μρ= /Re vd – критерий Рейноль-дса, Pr =Cpμ / λ – критерий Прандтля, Cp – теплоемкостьпри постоянном давлении. Prр – критерий Прандтля, оп-ределяемый по параметрам потока плазмы. Индексы ри w относятся к параметрам потока плазмы и поверхно-сти проволоки, соответственно.

Здесь за определяющий линейный размер принятвнешний диаметр проволоки. Определяющей темпера-турой является средняя температура жидкости; исклю-чение составляет Prw, выбираемый по средней темпера-туре стенки трубы. Согласно формулам (1) и (2) приRe=103 происходит изменение закона теплообмена.

При Re<2×105 максимальные значения α и tw будутв лобовой точке. Теплоотдача в лобовой точке ( 0=ϕ )описывается уравнением [3]

25,033,05,0 )/(PrRe04,1 WWPPPddNu μρμρ=

λα

= . (3)

Приведенная формула получена для условий попереч-ного ламинарного обтекания передней критической точ-ки [3,4] и корректна только применительно к верхней илилобовой поверхности проволоки. Величина плотноститеплового потока в окрестности лобовой критической точ-ки, при ц меньше 30° постоянна, поскольку вследствиелинейного возрастания касательной скорости при удале-нии от критической точки критерий Рейнольдса будет про-порционален квадрату расстояния от критической точки.При этом из (1) следует, что коэффициент теплоотдачибудет постоянным [3]. В отличие от лобовой поверхности,нижняя или кормовая часть поверхности проволоки нахо-дится в условиях отрывного течения и характер теплооб-мена там будет другим. Сравнение формул (1) и (3) пока-зывает, что при Re=103, в лобовой критической точке плот-ность конвективного теплового потока в 2 раза больше еесредней величины по периметру проволоки.

Представляет интерес оценка среднего коэффициен-та теплоотдачи в кормовой части проволоки, где проис-ходит отрыв потока. Несмотря на турбулизацию потокав отрывной зоне течения, плотность теплового потока вэтой зоне не возрастает, поскольку нижняя поверхностьпроволоки не оплавляется. Причиной резкого уменьше-ния плотности теплового потока является увеличениетолщины пограничного слоя в кормовой части попереч-но обтекаемой проволоки.

Используя средние коэффициенты теплоотдачи в урав-нении баланса теплових потоков по периметру прово-локи находим средний коэффициент теплоотдачи в кор-мовой части:

КЛЛК /)180( ϕαϕ−α=α , (4)

где α и Лα – значения среднего по периметру проволо-ки и среднего на лобовой поверхности коэффициентовтеплоотдачи, Лϕ и Кϕ – углы соответствующие областиламинарного течения на лобовой поверхности и турбу-лентного течения в кормовой части проволоки. Из срав-нения (3) и (1) следует, что коэффициент теплоотдачи влобовой критической точке вдвое превосходит соответ-ствующее среднее значение по периметру проволоки.Однако средний коэффициент теплоотдачи на лобовойповерхности будет меньшим и составит α=α 6,1Л . Приэтом, для значений Лϕ = 80о = 100о (рис. 5), средний коэф-фициент теплоотдачи в кормовой части будет почти в2 раза меньше среднего значения по периметру прово-локи и составит Кα = 0,52.

Поскольку в лобовой критической точке коэффици-ент теплоотдачи вдвое больше среднего по периметрупроволоки, то его величина превышает средний коэф-фициент теплоотдачи в кормовой части в 4 раза.

Явление отрыва течения обусловлено также измене-нием формы при плавлении торца проволоки, в результатекоторого расплавленная поверхность представляет площад-ку, наклоненную под острым углом к оси проволоки, кото-рый изменяется в пределах от 30 до 45 градусов, рис. 6.



Рис. 6. Внешний вид оплавленного торца проволоки послераспыления поперечной струей плазмы

Формула (3) справедлива, если угол ψ, составленныйнаправлением потока и обтекаемой плоскостью и называ-емый углом атаки, равен 90°. Если °<ψ 90 теплоотдачауменьшается. Для оценки ее уменьшения при °÷=ψ 9030можно использовать приближенную зависимость [3]:

)cos54,01( 2900 ψ−α=α =ψψ , (5)

где 090, =ψψ αα коэффициенты теплоотдачи соответствен-но при °<ψ 90 и °=ψ 90 .

Угол атаки 0=ψ соответствует продольному обтека-нию проволоки. При прочих равных условиях попереч-ное обтекание дает более высокую теплоотдачу. При углеатаки равном 45°, что соответствует обтеканию расплав-ленного торца проволоки, коэффициент теплоотдачиуменьшается на 27 % по сравнению с поперечным обте-канием поверхности. При этом его величина будет втроебольше, чем средний коэффициент теплоотдачи в кор-мовой части проволоки.

Таким образом, основная часть конвективного тепло-вого потока сосредоточена на лобовой поверхности про-волоки в зоне расплавленного металла. Расчет конвектив-ного потока тепла связан с осреднением коэффициентовпереноса по температуре плазмы. Принималась средняятемпература пограничного слоя равная 7000 К, для кото-рой рассчитаны следующие параметры: число Прандтля –

67,0Pr = , плотность плазмы – 32 м/кг103,8 −×=ρn ,скорость плазмы 1500=V м/c, соответствующая крити-ческому перепаду давления в дозвуковом сопле; динами-ческая вязкость плазмы см/кг105,1 4 ⋅×=μ − [9].

Критерий Рейнольдса при обтекании потоком плаз-мы проволоки диаметром d=1,4 мм будет равен:

1162Re =μ

ρ=

Vdп ,

что соответствует ламинарному течению плазменнойструи на лобовой поверхности. При этом критерий Нус-сельта, согласно (3), составит

3,30PrRe04,1 31 =×=Nu .

Коэффициент теплоотдачи при коэффициенте тепло-проводности аргона Км/Вт5,0 ⋅=λ , [9] будет равен:

Км/Вт1008,1 24 ⋅×=λ

=αdNu .

Плотность конвективного теплового потока на лобо-вой поверхность проволоки:

( ) 28н м/Bт103,1 ×=−α= TTq

К,

где К104,1 4⋅=Т , Тн=2000 К.При возрастании температуры плазмы обычно плот-

ность конвективного теплового потока значительно уве-личивается вследствии возрастания электронной тепло-проводности плазмы.

МОДЕЛИ РАСЧЕТА ИЗЛУЧЕНИЯПЛАЗМЫ

При определении лучистого теплового потока на по-верхность проволоки зачастую струя плазмы принима-ется за абсолютно черное тело [2, 5]. Плотность теплово-го потока, излучаемого абсолютно черным телом, оп-ределяется формулой Стефана- Больцмана

4ч Тq εσ= , (6)

где ε и Т – степень черноты и температура излучаемойповерхности, σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Однако, для использования указанного приближениярасчета, степень черноты плазмы должна быть близка кединице. В противном случае плазма является оптичес-ки прозрачной и для расчета используется модель объем-ного излучения [6]. Плотность объемного излученияплазмы зависит от ее температуры и давления. В каче-стве эквивалентной модели объемного излучения корот-кой цилиндрической дуги можно представить плазмен-ную сферу, объем которой равен объему короткой ци-линдрической дуги [7]. При длине плазменной струи,вытекающей из сопла плазмотрона – 5 мм и радиусеструи – 1,5 мм радиус сферы эквивалентного объемаравен 2мм. Плотность теплового потока – qv, которыйсоздается на границе оптически тонкой сферы плазмырадиуса R, равна плотности объемного излучения ум-ноженной на отношение объема сферы к площади ееповерхности

3URqv = , (7)

где U – плотность объемного излучения плазмы, завися-щая от температуры [6]. Приведенная формула не учи-тывает распределения плотности объемного излученияпо радиусу. Если учесть, что распределение плотностиобъемного излучения плазмы по радиусу сферы нерав-номерное, то плотность теплового потока излучениядолжна быть меньше, чем дает формула (7). При уточне-

41


нии (7) можно принять распределение плотности объем-ного излучения плазмы по радиусу сферы в виде

])/(1[ 30 RrUU −= , (8)

где U0 – плотность объемного излучения в центре плаз-мы, r и R – текущий радиус сферы и радиус границысветящейся зоны плазмы. Для определения плотноститеплового потока излучения следует определить излуче-ние объема сферы с учетом (8) и разделить его на пло-щадь излучаемой поверхности

6/)/()/(1[3 0

331

00 RURrdRrURqV =−= ∫ . (9)

Сопоставление формул (7) и (9) показывает, что приучете распределения плотности объемного излученияплазмы по радиусу сферы в виде (8) плотность теплово-го потока на границе плазмы уменьшается в 2 раза, чтоне оказывает большого влияния на оценку оптическойплотности плазмы, которая выполнена ниже.

Сравнение плотности тепловых потоков для плазмыаргона, определенных формулами (6) и (9) приведено втабл. 1 для интервала температур (8–20)⋅103 К.

Принято, что плазма имеет радиус сферы 2 мм, чтопримерно соответствует радиусу и форме короткой плаз-менной струи вытекающей из плазмотрона на поверх-ность нагреваемой проволоки.

На всем интервале температур плотность потокаобъемного излучения значительно меньше плотностиизлучения черного тела, что свидетельствует о том, чтоплазма оптически прозрачна. Наибольшая степень чер-ноты плазмы, определенная отношением плотности по-тока объемного излучения к плотности излучения чер-ного тела, составляет несколько сотых и наблюдается винтервале температур (14–20) 103 К. Следовательно, ис-пользование расчета излучения для плазмы аргона вприближении абсолютно черного тела приводит к ошиб-ке более чем на порядок величины. При понижении тем-пературы степень черноты резко падает, что связано суменьшением степени ионизации аргона.

Плотность излучения поверхности стального элект-рода, температура которого составляет около 2 ⋅103 К, сучетом степени черноты поверхности металла ε = 0,3,равна 2,6 ⋅104 Вт/ м2. По сравнению с излучением плаз-мы при максимальной температуре столба 12⋅103 К, ко-торое приведено в табл. 1, излучение электрода состав-ляет менее 1 %.

Т 103 К. 8 10 12 14 16 18 20 U, Вт/ м3 2,2·107 1,5·109 1,2·1010 8 1010 1,8 1011 2,1 1011 2 1011 qч , Вт/ м2 2,2·108 5,7·108 1,2·109 2,1 109 3,7 109 5,4 109 8,2 109 qv, Вт/ м2 1,4·104 5 105 4 106 2,5 107 0,6 108 0,7 108 0,5 108

ε 0,3·10–4 0,001 0,0035 0,012 0,016 0,012 0,006

Таблица 1. Сравнение плотности тепловых потоков поверхностного излучения черного тела и объемного излучения плазмыаргона

ВЫВОДЫ1. При обтекании проволоки, конвективный тепловой

поток сосредоточен на лобовой расплавленной поверх-ности металла, поскольку на кормовой части поверхнос-ти проволоки плотность конвективного теплового пото-ка уменьшается примерно в 4 раза. Поэтому плавлениепроволоки происходит на лобовой, а не на кормовойчасти поверхности проволоки.

2. Наклон поверхности расплава металла под углом45° к оси проволоки приводит к снижению коэффициен-та теплоотдачи на 27 % по сравнению с поперечным об-теканием поверхности. При этом его величина будет всеже втрое больше, чем средний коэффициент теплоотда-чи в кормовой части проволоки.

3. Показано, что сферический слой плазмы аргонарадиусом 2 мм, который представляет эквивалентнуюмодель короткой электрической дуги, является оптичес-ки прозрачным в интервале температур (8–20) 103 К, по-скольку степень черноты этого слоя существенно мень-ше единицы.

4. Плотность теплового потока излучения поверхно-сти стального электрода пренебрежимо мала по сравне-нию с излучением плазмы с температурой столба выше12⋅103 К.

CПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Дресвин С. В. Физика и техника низкотемператур-

ной плазмы / С. В. Дресвин, А. В. Донской,В. М. Гольдфарб, В. С. Клубникин. – М. : Атомиздат,1972. – 352 с.

2. Харламов М. Ю. Нагрев и плавление проволоки –анода при плазменно-дуговом напылении /М. Ю. Харламов, И. В. Кривцун, В. Н. Коржик,С. В. Петров // Автоматическая сварка. – 2011. – № 5 –С. 5–11.

3. Ямпольский А. Е. Повышение тепловой эффектив-ности и коррозионной стойкости котельных возду-хоподогревателей: Дис. ... канд. технических наук :05.14.05. – Москва:. РГБ, 2007.

4. Лойцянский Л. Г. Ламинарный пограничный слой /Л. Г. Лойцянский. – М. : 1962. – 479 с.

5. Шлихтинг Г. Возникновение турбулентности /Г. Шлихтинг. – М. : Иностранная литература, 1962. –203 с.

6. Юдаев Б. Н. Техническая термодинамика. Теплопе-редача / Б. Н. Юдаев. – М. : Высшая школа, 1988. –479 с.



7. Kapainsky J. Strahlungs transport mechanicmus andTransport coeffizienten in Ar Hochdruckboden /J. Kapainsky // Zectschrift fur Physick. – 1971. –Bd. 248, H5 – P. 417–432.

8. Шоек П.А. Исследование баланса энергии на анодесильноточных дуг, горящих в атмосфере аргона /

П. А. Шоек // Современные проблемы теплообме-на. – M. : Энергия, 1966. – 386 с.

9. Кулик П. П. Упругие взаимодействия и явления пе-реноса / П. П. Кулик //Очерки физики и химии низко-температурной плазмы. – М. : Наука, 1971. – С. 5–56.

Cтаття надійшла до редакції 25.03.2014.Після доробки 23.05.2014.

Єршов А. В.1, Зеленіна О. А.21Д-р техн. наук, професор, Запорізький національний технічний університет, Україна2Інженер-електронік, спеціалізована станція швидкої допомоги, Запоріжжя, УкраїнаКОНВЕКТИВНІ І ПРОМЕНИСТИЙ ТЕПЛООБМІН ПРИ ПЛАВЛЕННІ ДРОТУ У СТРУМЕНІ ДУГО-

ВОЇ ПЛАЗМИРозглянуто особливості конвективного і променистого теплообміну поперечного потоку аргонової плаз-

ми з поверхнею оплавленого торця сталевого дроту. Показано , що конвективний тепловий потік зосередженона лобовий розплавленої поверхні металу , а не на всій поверхні дроту. Виконано розрахунок щільності тепловогопотоку об’ємного випромінювання плазми. Показано, що сферичний шар плазми аргону радіусом 2 мм є оптич-но прозорим в інтервалі температур (8–20) 103 К, оскільки ступінь чорноти цього шару істотно менше оди-ниці. Визначено, що щільність теплового потоку випромінювання поверхні сталевого електрода мала в по-рівнянні з випромінюванням плазми з температурою стовпа 12·103 К.

Ключові слова: конвективний і променистий теплообмін, критерії Нуссельта і Рейнольдса щільність теп-лового потоку, ступінь чорноти плазми, оптично прозорий шар плазми.

Yershov A.1, Zelenina E.21Ph.D., Professor, Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine2Electronics engineer, Specialized ambulance station, electronics engineer, UkraineCONVECTIVE AND RADIATIVE HEAT TRANSFER DURING MELTING WIRE IN THE FLOW OF PLASMA

ARCThe features of convection and radiant heat exchange of argon plasma cross flow from the surface of the melted butt

of steel wire with plasma coating on metal surface are considered. We investigated the uneven distribution of convectiveheat flow around the perimeter of the heating wire The main part of convective heat flux of plasma centered on its wire isshown,. The density of convective heat flow in the neighborhood of its critical point during the heating of the plasma flowin a wire coating is defined. Calculation of the heat flux density is a 3-d plasma radiation. It is shown that the sphericallayer of 2 mm radius of argon plasma is optically transparent in the temperature range (8–20) 103 k, since the degree ofthis layer blackness is considerably less than one. It is determined that the density of heat flow radiation of steel electrodesurface is negligible compared with the radiation from the plasma column with the temperature 12·103 К.

Keywords: convective and radioactive heat transfer, the Nusselt number and the Reynolds heat flux density, theemissivity of the plasma, optically transparent layer of plasma.

REFERENCES1. Dresvin S. V., Donskoj A. V., Gol’dfarb V. M., Klubnikin

V. S. Fizika i tehnika nizkotemperaturnoj plazmy.Moscow, Atomizdat, 1972, 352 p.

2. Harlamov M. Ju., Krivcun I. V., Korzhik V. N., Petrov S. V.Nagrev i plavlenie provoloki – anoda pri plazmenno-dugovom napylenii, Avtomaticheskaja svarka, 2011,No. 5, pp. 5–11.

3. Jampol’skij A. E. Povyshenie teplovoj jeffektivnosti ikorrozionnoj stojkosti kotel’nyhvozduhopodogrevatelej: Dis. ... kand. tehnicheskih nauk: 05.14.05. Moscow, RGB, 2007.

4. Lojcjanskij L. G. Laminarnyj pogranichnyj sloj. Moscow,1962, 479 p.

5. Shlihting G. Vozniknovenie turbulentnosti. Moscow,Inostrannaja literature, 1962, 203 p.

6. Judaev B. N. Tehnicheskaja termodinamika.Teploperedacha. Moscow, Vysshaja shkola, 1988,479 p.

7. Kapainsky J. Strahlungs transport mechanicmus andTransport coeffizienten in Ar Hochdruckboden,Zectschrift fur Physick, 1971, Bd. 248, H5, pp. 417–432.

8. Shoek P.A. Issledovanie balansa jenergii na anodesil’notochnyh dug, gorjashhih v atmosfere argona,Sovremennye problemy teploobmena. Moscow,Jenergija, 1966, 386 p.

9. Kulik P. P. Uprugie vzaimodejstvija i javlenija perenosa,Ocherki fiziki i himii nizkotemperaturnoj plazmy,Moscow, Nauka, 1971, pp. 5–56.

43


УДК.621.3.048.1

Андриенко П. Д.1, Сахно А. А.2, Конограй С. П.3, Спица А. Г.4, Скрупская Л. С.5

1Д-р техн. наук, профессор, Запорожский национальный технический университет, Украина2Канд. техн. наук, старший преподаватель, Запорожский национальный технический университет, Украина

3Аспирант, Запорожский национальный технический университет, Украина5Аспирант, Запорожский национальный технический университет, Украина

6Старший преподаватель, Запорожский национальный технический университет, Украина, Е-mail: [email protected]

ОСОБЕННОСТИ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯОСНОВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ И

ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКАВ статье представлен анализ особенностей мониторинга технического состояния основной изоляции

трансформаторов тока и вводов с точки зрения выбора диагностических параметров, описаны результатыизмерения характеристик частичных разрядов в изоляции трансформаторов тока и вводов различными при-борами и сделаны выводы по целесообразности контроля этих параметров, а также предложен подход кизмерению характеристик частичных разрядов в изоляции при эксплуатации вводов и трансформаторовтока, предложен подход к использованию полученных значений диагностических параметров для оценки оста-точного ресурса высоковольтных трансформатора тока и вводов.

Ключевые слова: мониторинг, ввод, трансформатор, основная изоляция, диагностирование.

ВВЕДЕНИЕСтарение парка электрооборудования, тенденции к

уменьшению эксплуатационных затрат, а также повы-шающиеся требования к надежности электроснабженияпотребителей требуют реорганизации подхода к эксплу-атационным испытаниям и диагностике техническогосостояния высоковольтного электрооборудования элек-трических станций, подстанций и сетей, а также транс-форматорного оборудования энергоемких производств.

Действующий на данный момент в Украине подход кдиагностике и техническому обслуживанию и ремонту(ТОиР) высоковольтных электрических машин и аппара-тов сводится к следующей схеме:

– измерение диагностического критерия (одного илинескольких);

– проверка на соответствие критерия граничным зна-чениям, указанным в нормах, или для ненормируемыхкритериев – на соответствие опыту диагноста;

– выдача экспертного заключения на основании опытаили требований норм о необходимости вывода обору-дования или продолжения его эксплуатации.

Системы ТОиР и межремонтной диагностики у нас встране – «периодические» и регламентируются норма-ми [1]. Большинство измерений проводится с выводомоборудования из работы. Очевидно, что такая системадиагностики не отвечает современным требованиям.

Непрерывный эксплуатационный контроль (монито-ринг) технического состояния высоковольтного электро-оборудования является оптимальным решением задачиреорганизации эксплуатационной диагностики. Автома-тизированный непрерывный контроль имеет ряд преиму-ществ перед периодическим, такие как: сокращение меж-контрольного периода, отсутствие человеческого факто-ра, учет влияния эксплуатационных факторов, накопле-ние диагностической информации, удаленное предостав-

ление информации разного уровня и др. Внедрение авто-матизированного мониторинга позволит планироватьремонты оборудования и при необходимости произво-дить срочное отключение оборудования, находящееся впредаварийном состоянии, а также осуществить переходот устаревшей системы периодического обслуживания кобслуживанию по реальному техническому состояниюобъекта. Однако системы непрерывного контроля нужда-ются в специфических методиках, алгоритмах и моделях,необходимых для эффективного их функционирования.

В данной статье представлен анализ особенностейнепрерывного контроля основной изоляции вводов иизмерительных трансформаторов тока с точки зрениявыбора диагностических параметров и их применениядля прогноза остаточного ресурса оборудования.

МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДО-ВАНИЯ

Работа по установлению степени связи значений ди-агностических параметров изоляции с показателями еенадежности началась в конце 70-х годов прошлого столе-тия, однако полноценный анализ и оценка эффективнос-ти диагностических параметров для мониторинга малоисследовались. В статье будут рассматриваться толькоприведенные ниже диагностические параметры, кото-рые возможно автоматизировано измерять в процессеработы вводов и трансформаторов тока.

1. Значение тангенса угла диэлектрических потерь( 1tgδ ) и емкости (C1) основной изоляции. Это наиболееважные диагностические критерии, так как они напря-мую связаны с основными характеристиками изоляци-онного материала – диэлектрическими потерями и диэ-лектрической проницаемостью. Диэлектрическая про-ницаемость определяется степенью поляризации диэлек-трика. Для изоляционных конструкций принято рассмат-

© Андриенко П. Д., Сахно А. А., Конограй С. П., Спица А. Г., Скрупская Л. С., 2014



ривать пропорциональную ей емкость между электро-дами конденсатора. При поляризации диэлектрика энер-гия поля затрачивается на перемещение электрическихзарядов, часть этой энергии рассеивается в объеме диэ-лектрика. Эту часть энергии характеризует мощностьдиэлектрических потерь. Мощность диэлектрическихпотерь зависит не только от характеристик диэлектрика ичастоты приложенного к нему напряжения, но и от объе-ма изоляции. Поэтому для оценки состояния изоляциипринято использовать тангенс угла диэлектрических по-терь, который почти не зависит от размеров изоляцион-ной конструкции. Величина 1tgδ дает усредненнуюобъемную характеристику состояния диэлектрика, таккак активная составляющая тока, вызванная диэлектри-ческими потерями в местном дефекте относится к об-щему емкостному току объекта [2]. Именно изменениедает возможность зафиксировать дефект на ранней ста-дии развития и спрогнозировать отказ оборудования.Причем данный критерий является актуальным как длявводов с бумажно-масляной так и с RIP-изоляцией.В качестве примеров необходимости контроля данногопараметра можно привести следующие:

1.1. Автотрансформатор типа АТДЦТН-250000/220/110-У1, г. Баку, Азербайджан, повреждение ввода 110 кВГТТII – 60-110/2000-У1 через 3,5 года эксплуатации. Ре-зультаты измерений тангенса угла ввода за 9 месяцев доаварии свидетельствовали о начале развития дефекта:тангенс угла диэлектрических потерь на поврежденномвводе был 0,71% (еще за 9 месяцев до аварии), в то времякак на исправных вводах соседних фаз 0,47 % и 0,48 % [3].В данном примере следует отметить, что ввод разрушил-ся до очередного контроля, наличие системы непрерыв-ного контроля позволило бы зафиксировать тренд в по-казаниях данного параметра и предотвратить дефект.

1.2. Пробой части изоляции вводов 500кВ Trench сRIP-изоляцией по причине подключения прибора КИВ-500 сопровождался ростом 1tgδ с 0,44 % до 1,26 % поодному вводу и с 0,6 % по 0,96 % по другому вводу [3].Следует отметить, что дефекты данного вида могут вы-зывать и снижение значения 1tgδ после частичного про-боя, поэтому важно анализировать не только мгновен-ные значения параметра, а всю историю измерений внепрерывном режиме за весь период эксплуатации.

1.3. Отложение полупроводящих коллоидных соеди-нений на внутренней поверхности фарфоровых покры-шек маслонаполненных вводов («желтый налет») по ре-зультатам [4] может быть зафиксирован измерениямипод рабочим напряжениям с отслеживанием темпера-турных зависимостей, при этом значения параметрамогут принимать отрицательные значения.

1.4. Отложение Х-воска и развития пробоя в изоляци-онном остове ввода с маслом типа ГК также фиксирует-ся контролем значения под рабочим напряжением [4].

1.5 В [5] разработана математическая модель, уста-навливающая количественную связь между 1tgδ , темпе-ратурой, электрическими воздействиями и периодом эк-

сплуатации основной изоляции аппарата. Наличие та-кой взаимосвязи подтверждает необходимость контроляэтого параметра.

1.6 Наличие корреляционной связи между значения-ми 1tgδ изоляции и оставшимся временем до отказаобъекта выявлено для вводов и трансформаторов тока сбумажно-масляной изоляцией [2].

Также 1tgδ нормируется для контроля под рабочимнапряжением в стандартах [1, 6].

2. Контроль изменения емкости позволяет зафиксиро-вать грубый дефект, такой как перекрытие части изоляцииаппарата, на завершающей стадии повреждения, для не-медленного аварийного его отключения. Само по себеабсолютное значение данного параметра не является при-знаком отказа. Признаком отказа является увеличение зна-чения от паспортного на величину соответствующую пе-рекрытию одной или нескольких конденсаторных обкла-док в изоляции. Данный критерий применим как для бу-мажно-масляной так и для RIP-изоляции. Время от появ-ления частичного пробоя до полного пробоя изоляцииможет быть разным, потому пробой даже одной обклад-ки должен служить признаком необходимости немедлен-ного отключения оборудования. Данный параметр явля-ется аналогом параметра «проводимость» и имеет иден-тичный с ним диагностический смысл.

3. Важным является не только абсолютные значения1tgδ , но и их изменения за различные периоды, скорость

изменения, абсолютное изменение, а также среднесу-точные, недельные, сезонные, годичные значения

1tgδ (сутки, неделя, год представляют собой законченныепериодические циклы колебания ряда эксплуатационныхфакторов, таких как ток нагрузки, температура окружа-ющей среды и др.). Важно отметить, что для бездефект-ной изоляции 1tgδ не увеличивается на протяжении все-го срока его службы, т.е. начальные значения 1tgδ слу-жат основой для сравнения с полученными данными приочередных измерениях [7], при этом для бездефектнойизоляции значения параметра сохраняют стабильностьпри изменении величины приложенного напряжения.

4. Амплитуда и фаза вектора небаланса токов комп-лексной проводимости изоляции 3-х фазной группы, гдеамплитуда количественно характеризует дефект, а фазавектора указывает в каком из объектов он развивается.Как уже было отмечено в ряде работ, например, [8, 9]данный метод оказался малоэффективным в условияхэксплуатации.

5. Температурный коэффициент изоляции (темпера-турная зависимость 1tgδ ) – дополнительный диагности-ческий параметр, увеличение которого свидетельствуето развитии дефекта в целлюлозной изоляции или ухуд-шении характеристик масла. Значение этого параметрапозволяет сделать косвенное заключение о наличии при-месей в масле, высоком влагосодержании масла, нали-чии источников интенсивных ЧР в основной изоляции иее перегревах [2].

45


6. Интенсивность частичных разрядов – частичныеразряды (ЧР) в основной изоляции во многих случаяхявляются первопричиной изменения 1tgδ и С1. Поэто-му, было бы логично контролировать интенсивность,уровень и суммарную мощность частичных разрядов.Однако, использование этого параметра в условиях экс-плуатации затруднено, ряд исследователей, например,[3] и производителей высоковольтного оборудованияпишут о бесполезности данного параметра в условияхэксплуатации, в то же время ряд исследователей такихкак П. М. Сви, В. А. Русов, В. П. Вдовико, Ю. П. Аксенов,E. Lemke, L. Renforth и др. в своих работах описываютметоды диагностики на основе измерения характерис-тик частичных разрядов в основной изоляции. ЧР име-ют, как правило, большую интенсивность поэтому со-здание измерительных устройств с необходимой чувстви-тельностью не вызывает трудностей. Однако, возмож-ность выявления дефектов изоляции, регистрацией ЧР вэксплуатации определяется не чувствительностью аппа-ратуры, а способностью фильтрации внешних помех, т.е.с устранением помех или снижением их уровня. Помехипри измерении ЧР могут вызываться любыми процес-сами в сети, связанными с резкими изменениями тока, атакже источниками высокочастотных напряжений. Приизмерениях частичных разрядов в условиях эксплуата-ции источники помех, как правило, не могут быть устра-нены. Дополнительные помехи могут создавать радио-передатчики, ЧР в соседнем оборудовании, разряды меж-ду шинами, разряды между элементами токопроводов,разряды на заостренных краях арматуры или на концахножей отключенных разъединителей и т. п. [2]. Основ-ным источником неустранимых помех при измеренияхв эксплуатационных условиях являются коронные раз-ряды на проводах, арматуре и оборудовании (так назы-ваемый основной уровень помех), которые имеют ха-рактеристики схожие с характеристиками ЧР при регис-трации электрическими методами. Вибрация оборудо-вания создает помехи при регистрации акустическимиметодами. Поэтому, основной проблемой при измере-нии в условиях эксплуатации является селекция частич-ных разрядов. Несмотря на большое количество работ,описывающих данные методики селекции, практическиенаблюдения показывают, что часто данные алгоритмы иметодики в условиях высоковольтных станций и подстан-ций оказываются малоэффективными.

На рис. 1–3 показаны примеры регистрации уровнейчастичных разрядов, или более корректнее будем назы-вать выполненные измерения – «разрядной активностью».

На рис. 1 и 2 зарегистрированная разрядная актив-ность имеет выраженную корреляцию с температуройизоляции, что позволяет сделать предположение о свя-зи, зарегистрированной разрядной активности, с состо-янием изоляции.

На рис. 3 показан пример регистрации уровня час-тичных разрядов, однако, связь полученных данных с

Рис. 1. Корреляция значений разрядной активности стемпературой верхних слоев масла ввода СН АОДЦТН-

167000/500/220, АТ-4, ф.А, ПС 500кВ «ЦГПП», РеспубликаКазахстан за период сентябрь 2014г. (данные от системы

SAFE-T, ООО «Энергоавтоматизация»)

Рис. 2. Корреляция значений разрядной активности стемпературой изоляции трансформатора тока (ТФКН-330,зав.№ 82ЭА, негерметичный, дата изготовления: 1962 г.,

дата ввода в эксплуатацию: 1971 г., ПС 330кВ«Днепр-Донбасс» (данные от системы SAFE-T, с прибором

Omicron MPD600)

реальным техническим состоянием объекта контроляустановить невозможно, к тому же уровень кажущего-ся заряда, который, как заявлено производителем при-бора, измеряет прибор, не может быть в реальности (бо-лее 1000 пКл), с разрядами такого уровня ввод прорабо-тал бы не более нескольких минут.

Как показано на данных примерах к контролю час-тичных разрядов в эксплуатации необходимо относить-ся как к дополнительному методу, который в совокупно-сти с основными может позволить повысить достовер-ность оценки технического состояния ввода или транс-форматора тока. Также для вводов следует помнить, чтонормальным уровнем частичных разрядов в основнойизоляции считается 5пКл, а для изоляции обмоток сило-вых трансформаторов – 300 пКл, поэтому очевидно, чтовыявление дефектов вводов по данному параметру весь-ма затруднено.



а)

б)Рис. 3. Разрядная активность вводов и температура верхнихслоев масла РОМ-60000/500, Р-1, ф.А, ф.В, ф.С, ПС 500кВ«Алма», Республика Казахстан (данные от системы SAFE-T,

с прибором ООО «Димрус» TDM)а) – разрядная активность, б) – температура верхних слоев

масла

Следует отметить, что методики количественногоопределения величины кажущегося заряда частичныхразрядов в условиях эксплуатации являются теоретичес-ки малообоснованными, а с точки зрения практики –малоисследованными. Поэтому для эксплуатационногоконтроля характеристик частичных разрядов в основнойизоляции трансформаторов тока и вводов более коррек-тно было бы применять термин «разрядная активность».Разрядная активность – это безразмерная величина, пред-полагающая условную количественную оценку измене-ния уровня частичных разрядов в основной изоляции,например, если уровень активности вырос с 10 до 20единиц, то можно сделать вывод о том, что уровень ка-жущегося заряда частичных разрядов вырос вдвое, т.е.если система контроля вводилась на новом оборудова-ния, можно предположить, что уровень с нормальных

5пКл вырос до 10пКл. В виду этого авторами предлагает-ся упрощенный подход к контролю характеристик раз-рядной активности в основной изоляции вводов и транс-форматоров тока, основанный на спектральном анали-зе сигнала тока проводимости основной изоляции вводаи последующем расчете интегрального действующегозначения составляющих в диапазоне 8–10 МГц, такойалгоритм внедрен в блоках мониторинга SAFE-T ООО«Энергоавтоматизация» [10], пример результатов рабо-ты представлен на рис. 1. В качестве дополнительныхсигналов, позволяющих локализировать место появле-ния дефекта, можно использовать высокочастотные со-ставляющие токов заземления нейтралей и баков транс-форматорного оборудования.

Построение систем мониторинга вводов и трансфор-маторов тока, достаточно полно описаны в документа-ции производителей таких систем, например, [11], одна-ко, важной особенностью систем непрерывного конт-роля есть то, что система мониторинга не должна огра-ничиваться контролем значений критериев, а должнаделать диагностическое заключение о состоянии объек-та, а также давать прогноз состояния, например, на ос-нове математических моделей, представленных автора-ми в [12, 13]. Указанные модели могут совершенство-ваться и развиваться путем расширения количества ди-агностических параметров, в частности за счет ввода вмодель параметра «разрядная активность», так, напри-мер, модель из [12], может принимать вид:

),tgtgexp(011 431211)(),,tg,tg(,( α⋅+⋅+δΔ⋅⋅δ⋅=αδΔδ bQbbbtSQtS

где ),,tg,tg(,( 11 αδΔδ QtS – результирующая вероятность,при заданных для соответствующего наблюдения значе-ниях параметров; )(0 tS – базовая вероятность безотказ-ной работы, полученная, например, на основе распреде-ления Вейбулла; t – фактический период эксплуатацииаппарата; 1tgδ – отклонение тангенса угла диэлектричес-ких потерь основной изоляции от базового значения;

1tgδΔ – отклонение модуля изменения тангенса угла диэ-лектрических потерь основной изоляции от базового зна-чения; Q – отклонение уровня разрядной активности отбазового значения; α – отклонение температурного ко-эффициента от базового значения; b1, b2, b3, b4 – весовыекоэффициенты (количественная оценка влияния диагнос-тических параметров).

Таким образом, модель остаточного ресурса, пред-ложенная в [12] может быть существенно усовершен-ствована, путем внедрения в модель уровня разряднойактивности, а также путем прогноза изменения значе-ний диагностических параметров и расчета остаточногоресурса не на основе предположения о дальнейшем (поотношению к моменту расчета вероятности безотказ-ной работы) износе только за счет естественного старе-ния, а на основе прогноза значений диагностическихпараметров на базе алгоритмов «нечеткой» логики.

47


ВЫВОДЫОдним из наиболее важных диагностических парамет-

ров при организации непрерывного контроля вводов итрансформаторов тока является тангенс угла диэлектри-ческих потерь и его изменение, также полезным можетбыть контроль разрядной активности, однако, данный па-раметр требует дальнейшего изучения. На основаниипрактических результатов можно сделать вывод о возмож-ности применения параметра «разрядная активность» вкачестве дополнительного в моделях оценки вероятностибезотказной работы аппаратов и прогноза остаточногоресурса, что позволит уточнить такие модели.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Норми випробування електрообладнання : СОУ-Н

ЕЕ 20.302:2007 – Офіц. вид., приказ Мінпаливенерго2007-01-15 г. №13. – К. : ОЕП «ГРИФРЕ» : М-во пали-ва та енергетики України, 2007. – 262 с. – (Норматив-ний документ Мінпаливенерго України).

2. Сви П. М. Методы и средства диагностики оборудо-вания высокого напряжения / П. М. Сви. – М. : Энер-гоатомиздат, 1992 – 240 с. : ил.

3. Доля О. Е. Повышение надежности эксплуатациивводов: Материалы 10-ой ежегодной конференции«Методы и средства контроля изоляции высоковоль-тного оборудования» –[Электронный ресурс] – 80Min / 700 MB. – Пермь : ООО «Димрус», 2013. – 1електрон. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. – Систем. ви-моги: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000,XP ; Adobe Acrobat Reader 5.0.

4. Осотов В. Н. Ошибки при измерении диэлектричес-ких характеристик и оценке состояния высоковольт-ных вводов: Материалы 10-ой ежегодной конферен-ции «Методы и средства контроля изоляции высо-ковольтного оборудования» – [Электронный ресурс]– 80 Min / 700 MB. – Пермь : ООО «Димрус», 2013. –1 електрон. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. – Систем.вимоги: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000,XP ; Adobe Acrobat Reader 5.0.

5. Verma P. Condition Monitoring of Transformer Oil andPaper : a Thesis Submitted for the Award of the Degreeof Doctor of Philosophy / Piush Verma. – Patiala, India,2005. – 172 c.

6. Перевірка ізоляції трансформаторів струму 330 - 750кВ під робочою напругою: СОУ-Н МПЕ 40.1.46.301-2006. – Офіц. вид. – К. : ГРІФРЕ : М-во палива таенергетики України, 2006. – 31 с. – (Нормативнийдокумент Мінпаливенерго України. Інструкція).

7. Поляков В. С. Диагностика высоковольтных вводови трансформаторов тока под рабочим напряжени-ем : материалы семинара «Современное состояниеи проблемы диагностики мощных силовых транс-форматоров и шунтирующих реакторов» [«Мето-ды и средства оценки состояния энергетическогооборудования». Выпуск 11], (5 – 9 июня 2000 г.) –С.Пб. : ПЭИПК, 2000. – 387 с.

8. Шинкаренко Г. В. Контроль опорных трансформато-ров тока и вводов силовых трансформаторов под ра-бочим напряжением в энергосистемах Украины /Г. В. Шинкаренко // Электрические станции. – 2001. –№ 5. – С. 55–62.

9. Сахно А. А. Развитие методологии диагностики вы-соковольтного оборудования в системах непрерыв-ного контроля SAFE - T // А. А. Сахно, С. П. Коног-рай, А. Г. Спица / МА ТРАВЭК, – 2013. – 1 електрон.опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. – Систем. вимоги:Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000, XP ;Adobe Acrobat Reader 5.0. – Д2-02. – Назва з контей-нера.

10. Системы мониторинга высоковольтного оборудо-вания SAFE-T. Режим доступа – http://www.enera.com.ua/

11. Системы непрерывного контроля трансформаторовтока и вводов . Режим доступа – http://www.enera.com.ua/products/production/Safe-CT/

12. Сахно А.А. Математическая модель прогноза оста-точного ресурса трансформаторов тока 330 – 750 кВс бумажно-масляной изоляцией конденсаторноготипа / Сахно А.А. // Вестник НТУ «ХПИ». – 2010. –№ 8. – С. 67–77.

13. Скрупская Л.С. Построение моделей диагностиро-вания бумажно-масляной изоляции измерительныхтрансформаторов тока / Скрупская Л. С., ОлейникА. А., Сахно А. А. // Электротехника и электромеха-ника – 2014. – № 2. – С. 48–51.


Андрієнко П. Д.1, Сахно О. А.2, Конограй С. П.3, Спица А. Г.4, Скрупська Л. С.51Д-р техн. наук, професор, Запорізький національний технічний університет, Україна2Канд. техн. наук, старший викладач, Запорізький національний технічний університет, Україна3Аспірант, Запорізький національний технічний університет, Україна,4Аспірант, Запорізький національний технічний університет, Україна5Старший викладач, Запорізький національний технічний університет, УкраїнаОСОБЛИВОСТІ МОНІТОРИНГУ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ОСНОВНОЇ ІЗОЛЯЦІЇ ВИСОКОВОЛЬТ-

НИХ УВОДІВ І ТРАНСФОРМАТОРІВ СТРУМУУ статті представлено аналіз особливостей моніторингу технічного стану головної ізоляції трансформа-

торів струму та уводів з точки зору вибору діагностичних параметрів, описано результати вимірюванняхарактеристик часткових розрядів в ізоляції трансформаторів струму та уводів різними приладами та зроб-лено висновки по доцільності контролю цих параметрів, а також запропоновано підхід до виміру характерис-



тик часткових розрядів в ізоляції під час експлуатації уводів та трансформаторів струму, запропонованопідхід до використання отриманих значень діагностичних параметрів для оцінки залишкового ресурсу високо-вольтних трансформаторів струму та уводів.

Ключові слова: моніторинг, увід, трансформатор, основна ізоляція, діагностування.

Andrienko P. D.1, Sakhno A. A.2, Konogray S. P.3, Spitsa A. G.4, Skrupskaya L. S.51Doctor of Science, Professor, Zaporozhye National Technical University, Ukraine2Ph.D., senior lecturer, Zaporozhye National Technical University, Ukraine3Рostgraduate, Zaporozhye National Technical University, Ukraine4Postgraduate, Zaporozhye National Technical University, Ukraine5Senior lecturer, Zaporozhye National Technical University, UkraineCHARACTERISTICS OF MONITORING CONDITION OF MAIN INSULATION OF HIGH-VOLTAGE

BUSHINGS AND CURRENT TRANSFORMERSThe article devoted to an analysis of monitoring features of basic insulation condition, in terms of diagnostic parameters

choice, it describes the measuring results of the partial discharges characteristics in bushings and current transformersby various devices. The usage of tan-delta for online monitoring of bushings and current transformers was justified. Theusage of term «discharge activity» instead on «partial discharge» for online monitoring was justified, the examples ofdischarge activity measurement by various devices is represented. Approach to measuring partial discharge in theinsulation during equipment operation was proposed. It lies in simplified spectral analysis of the high-frequency signalfrom the bushing test-tap and grounding of equipment. The approach to the using of the obtained values of diagnosticparameters, including partial discharges or so called «discharge activity», for assessing the remaining life of the currenttransformer and high voltage bushings based on Cox model and «fuzzy» logic algorithms was proposed.

Keywords: on-line monitoring, bushing, transformer, main insulation, diagnostic.

REFERENCES1. Normy vyprobuvannia elektroobladnannia : SOU-N EE

20.302:2007, Ofits. vyd., prykaz Minpalyvenerho 2007-01-15 h. #13. Kiev, OEP «HRYFRE», M-vo palyva taenerhetyky Ukrainy, 2007, 262 p. (Normatyv-nyidokument Minpalyvenerho Ukrainy).

2. Svi P. M. Metody i sredstva diagnostiki oborudovaniyavysokogo napryazheniya. Moscow, E’nergoatomizdat,1992, 240 p., il.

3. Dolya O. E. Povyshenie nadezhnosti e’kspluataciivvodov: Materialy 10-oj ezhegodnoj konferencii«Metody i sredstva kontrolya izolyaciivysokovol’tnogo oborudovaniya» –[E’lektronnyjresurs] – 80 Min / 700 MB. – Perm’ : OOO «Dimrus»,2013. – 1 elektron. opt. disk (CD-ROM) ; 12 sm. – Sistem.vimogi: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000,XP ; Adobe Acrobat Reader 5.0.

4. Osotov V. N. Oshibki pri izmerenii die’lektricheskixxarakteristik i ocenke sostoyaniya Vysokovol’tnyxvvodov: Materialy 10-oj ezhegodnoj konferencii«Metody i sredstva kontrolya izolyaciivysokovol’tnogo oborudovaniya» – [E’lektronnyjresurs] – 80 Min / 700 MB. – Perm’ : OOO «Dimrus»,2013. – 1 elektron. opt. disk (CD-ROM) ; 12 sm. – Sistem.vimogi: Pentium ; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000,XP ; Adobe Acrobat Reader 5.0.

5. Verma P. Condition Monitoring of Transformer Oil andPaper : a Thesis Submitted for the Award of the Degreeof Doctor of Philosophy. Piush Verma, Patiala, India,2005, 172 p.

6. Perevirka izoliatsii transformatoriv strumu 330–750 kV pidrobochoiu napruhoiu: SOU-N MPE 40.1.46.301-2006. –Ofits. vyd. – Kiev, HRIFRE, M-vo palyva ta enerhetyky

Ukrainy, 2006, 31 p. (Normatyvnyi dokumentMinpalyvenerho Ukrainy. Instruktsiia).

7. Polyakov V. S. Diagnostika vysokovol’tnyx vvodov itransformatorov toka pod rabochim napryazheniem :materialy seminara «Sovremennoe sostoyanie iproblemy diagnostiki moshhnyx silovyxtransformatorov i shuntiruyushhix reaktorov»[«Metody i sredstva ocenki sostoyaniyae’nergeticheskogo oborudovaniya». Vypusk 11],(5 – 9 iyunya 2000 g.), SPb, PE’IPK, 2000, 387 p.

8. Shinkarenko G. V. Kontrol’ opornyx transformatorovtoka i vvodov silovyx transformatorov pod ra-bochimnapryazheniem v e’nergosistemax Ukrainy,E’lektricheskie stancii, 2001, No. 5, pp. 55–62.

9. Sakhno A. A., Konograj S. P., Spitsa A. G. Razvitiemetodologii diagnostiki vysokovol’tnogooborudovaniya v sistemax nepreryv-nogo kontrolyaSAFE – T, MA TRAVE’K, 2013, 1 elektron. opt. disk(CD-ROM) ; 12 sm. – Sistem. Treb.: Pentium ; 32 MbRAM ; Windows 95, 98, 2000, XP ; Adobe AcrobatReader 5.0. – D2-02. – Nazvanie iz kontejnera.

10. Sistemy monitoringa vysokovol’tnogo oborudovaniyaSAFE-T // http://www.enera.com.ua/

11. Sistemy nepreryvnogo kontrolya transformatorov toka ivvodov // http://www.enera.com.ua/products/production/Safe-CT/

12. Sakhno A. A. Matematicheskaya model’ prognozaostatochnogo resursa transformatorov toka 330 – 750kV s bumazhno-maslyanoj izolyaciej kondensatornogotipa, Vestnik NTU «XPI», 2010, No. 8, pp. 67–77.

13. Skrupskaya L. S., Olejnik A. A., Sakhno A. A. Postroeniemodelej diagnostirovaniya bumazhno-maslyanojizolyacii izmeritel’nyx transformatorov toka,Elektrotexnіka і elektromexanіka, 2014, No. 2, pp. 48–51.

49


©

УДК 621.382

Крисан Ю. О.Канд. техн. наук, доцент, Запорізький національний технічний університет, Україна, Е-mail: [email protected]

МОДЕРНІЗАЦІЯ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДОСЛІДЖЕННЯАСИНХРОННОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА

Модернізовано лабораторний стенд для дослідження режимів роботи асинхронного електропривода звикористанням сучасного мікропроцесорного реле фірми Moeller.

Ключові слова: стенд, електропривод, мікропроцесорне реле, система керування, пусковий реостат, асин-хронний електродвигун.

ВСТУПСучасний рівень освіти значною мірою залежить від

результативності впровадження технологій навчання, якіґрунтуються на нових методологічних засадах, сучаснихдидактичних принципах та психолого-педагогічних теорі-ях, що розвивають діяльнісний підхід до навчання. Важли-ву роль в цьому питанні відіграє лабораторний практи-кум, який базується на використанні сучасної лаборатор-ної бази та є невід’ємною частиною навчання студента.

В умовах кризи та недостатнього фінансування ви-щих навчальних закладів кафедра Електропривода та ав-томатизації промислових підприємств Запорізького на-ціонального технічного університету вирішує задачі мо-дернізації лабораторної бази шляхом створення сучас-них стендів власними силами [1].

При модернізації лабораторних стендів власними си-лами є можливість збереження і використання складної,коштовної, працездатної і корисної механічної частини(електроприводи різних складних механізмів, металорі-зальні верстати, промислові маніпулятори, роботи і іншеустаткування із складною механікою і електромеханікою),відродження їх із заміною застарілої елементної бази си-стеми керування на сучасні електронні пристрої і про-грамне забезпечення, зокрема, на базі програмованихконтролерів.

Найближча мета модернізації – на базі існуючих ство-рити сучасні стенди, в основному з комп’ютерним керу-ванням від зовнішніх систем.

Важливо, щоб стенд відповідав: сучасним тенденці-ям техніки; був універсальним, тобто охоплював широ-кий спектр дисциплін, що викладаються на кафедрі; мавдостатню технічну базу для проведення не лише лабора-торних практикумів, а й зняття науково-дослідницькихекспериментів; можливостям доповнення та нарощуван-ня при необхідності новою елементною базою.

Створенням та модернізацією стендів з дослідженняелектропривода займаються провідні ВНЗ України [2–3],але недостатньо приділено уваги стендам для досліджен-ня електропривода саме з використанням релейно-кон-такторних схем, що є невід’ємною складовою вивченнякурсу теорії електропривода.

Крисан Ю. O., 2014

МЕТОЮ дослідження є розробка структури та алго-ритмів функціонування лабораторного стенду для дослід-жень різних режимів роботи асинхронного електропри-вода з використанням сучасного мікропроцесорного реле.

Стенд (рис. 1) базується на основі існуючого лабора-торного обладнання [4] для дослідження різних режимівроботи асинхронного електропривода, зокрема, реостат-ного пуску асинхронного двигуна (АД) з фазним ротором,динамічного гальмування, режиму противімкнення тощо.

Лабораторне обладнання складається зі стенду, на яко-му розташована релейно-контакторна апаратура, мікроп-роцесорне реле та вимірювальні прилади (вольтметри,амперметри та цифровий осцилограф), і підключеного достенду АД з фазним ротором типу АК51/6. Структурнасхема лабораторного стенда наведена на рис. 2.

Запропоноване рішення модернізації дозволяє вод-ночас досліджувати роботу системи керування електроп-ривода, реалізовану на класичній релейно-контакторнійбазі керування, та систему, реалізовану на сучасномумікропроцесорному обладнанні, а також проводити не-обхідні налаштування складових стенда та досліджуватиперехідний процес струму АД. Спрощена принциповасхема стенда наведена на рис. 3.

Обладнання дозволяє налагодити і випробувати наступнірежими: реостатний пуск АД в функції часу, динамічнегальмування, гальмування противвімкненням, реверс задопомогою класичної релейно-контакторної схеми, та ре-жим реостатного пуску і динамічного гальмування з вико-ристанням сучасного мікропроцесорного реле [5].

Перший етап лабораторних робіт полягає в розрахункучасу перемикання ступенів опорів і побудові електромеха-нічних характеристик АД з фазним ротором та моделюван-ня його роботи використовуючи бібліотекуSimPowerSystems пакета МATLAB Simulink. Другий етапстворення алгоритму програми і її реалізація у вигляді про-грамовного середовища EASYSOFT. Третій етап включаєперевірку правильності написання програми і налаштуван-ня параметрів усіх елементів програми (особлива увагаприділяється реле часу і лічильникам) та подальше заванта-ження з персонального комп’ютера (ПК) на мікропроце-сорнее реле EASY500. Четвертий етап зняття реального стру-му в фазі ротора (за допомогою цифрового осцилографа)та порівняння його результатами моделювання.



Релейно-контакторна схема

Кнопки керування:ПУСК «SB5»СТОП «SB6»

АД з ФР

Перемикач схем «S4»

Кнопки керування:ПУСК «SB1»СТОП «SB2»РЕВЕРС «SB3»

Схема з мікропроцесорним

керуваннямРежими роботи:

- пуск в дві ступені;- динамічне гальмування;- противвімкнення.

Режими роботи:- пуск в дві ступені;- динамічне гальмування.

Живлення~380В; 50Гц

Рис. 1. Зовнішній вигляд панелі керування лабораторного стенда дослідження асинхронного електропривода з використанняммікропроцесорного реле EASY-512

Рис. 2. Структурна схема лабораторного стенда

Лабораторний стенд використовується для порівняль-ного аналізу ручних і автоматичних засобів керуванняна базі контролерів серії EASY. Під час занять студентиотримують основи програмування в сере-довищіEASYSOFT, необхідні для самостійного написання про-грам керування, навички розрахунків основних елементівелектропривода та моделювання. Крім того, є можливістьнавчання спо-собам програмування за допомогою па-нелі керування контролера або на комп’ютері.

ХАРАКТЕРИСТИКА МІКРОПРОЦЕСОР-НОГО РЕЛЕ

В електроприводі, і взагалі в галузі електротехніки, всечастіше використовуються програмовані логічні контро-лери (ПЛК) з обмеженою кількістю входів і виходів. Їх щеназивають мікропроцесорні або інтелектуальні реле.

Мікропроцесорні реле мають такі специфічні риси.Полегшене програмування, що виконується, як пра-

вило, у формі заздалегідь складеної релейної електрич-ної принципової схеми. Для завдання програми викори-стовується клавіатура ручного введення в символах прин-ципової релейної схеми шляхом натиснення на кнопки іпослідовного вибору замикаючого або розмикаючогоконтактів, котушки пристрою і таке інше.

Модульність побудови (входи, виходи і об’єм пам’ятінарощується з певним кроком).

Можливість використання безпосередньо в промис-лових умовах завдяки великої завадозахищеності та галь-ванічному розв’язуванню від зовнішніх кіл.

За ієрархією складності мікропроцесорні реле знахо-дяться між ПЛК і традиційними схемами електроавтома-тики; мають менший об’єм електронних пристроїв і мен-шу, ніж ПЛК, місткість пристроїв пам’яті.

Програмне забезпечення реле дозволяє виконаннядодаткових функцій, а саме використання таймерів длявитримки часу, лічильників для рахунку імпульсів і такеінше.

51


а) б)

Рис. 3. Спрощена принципова схема стенда: а) силова частина вмикання АД з фазним ротором; б) кола керування реле EASY

Модульність побудови (входи, виходи і об’єм пам’ятінарощується з певним кроком).

Можливість використання безпосередньо в промис-лових умовах завдяки великої завадозахищеності та галь-ванічному розв’язуванню від зовнішніх кіл.

За ієрархією складності мікропроцесорні реле знахо-дяться між ПЛК і традиційними схемами електроавтома-тики; мають менший об’єм електронних пристроїв і мен-шу, ніж ПЛК, місткість пристроїв пам’яті.

Програмне забезпечення реле дозволяє виконаннядодаткових функцій, а саме використання таймерів длявитримки часу, лічильників для рахунку імпульсів і такеінше.

Конструктивні виконання мікропроцесорних релерізняться числом входів і виходів, електричними парамет-рами (рід струму, напруга, комутаційна здатність), об’ємомпристроїв пам’яті для запам’ятовування інформації.

Типовими мікро-ПЛК є електронні мікропроцесорніреле німецької фірми Moeller, які нині представлені сер-іями EASY500, EASY700, EASY800 і багатофункціональ-ним дисплеєм MFD-Titan. Вони є малогабаритними ке-руючими пристроями, здатними вирішувати комбі-наційні і послідовні завдання. Напруга живлення при-строїв 12 В або 24 В постійного струму та 24 В або 115/240 В змінного струму. Напруга вхідних сигналів співпа-дає по виду і значенню з вибраною напругою живлення[6]. Зовнішній вигляд мікропроцесорного реле показа-ний на рис. 4.

Усі внутрішні функції реле реалізуються в програмно-му вигляді. За аналогією з відомими пристроями за про-грамними функціями зберігаються назви: таймери, релечасу, лічильники, компаратори та інше. Програма складаєть-ся у вигляді рисунка електричної схеми, що містить вхідніланки, контакти і котушки відповідних реле і ліній, що сполу-

2 аналоговихвхода I7,I8

Дискретні входиКлеми живлення

Дісплей Кнопкипрограмування

Дискретні виходи Q1-Q4

Рис. 4. Загальний вигляд мікропроцесорних реле EASY512

чають їх. Введення програми здійснюється від вбудованогопульта з клавіатурою й індикацією на рідинокристалічному(Р-К) дисплеї, від спеціального чипу (модуля або картипам’яті), що зберігає програму або від ПК (за допомогоюпрограми EASY-SOFT). Пам’ять реле незалежна. При зник-ненні напруги і її наступному поновленні, конфігурація схе-ми і налагодження елементів зберігаються.

Пристрої мають можливість розширення входів-виходіві обміну даними з промисловими інформаційними мере-жами AS-Interface, Proflbus-DP, CANopen, DeviceNET. РелеEASY800 і MFD-Titan, окрім цього, можуть бути об’єднаніу власну інформаційну мережу EASY-NET, до якої мо-жуть входити до восьми приладів, з пристроями розши-рення, віддаленими на відстань до 1000 м.



ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОР-НИХ РОБІТ НА СТЕНДІ

Метою лабораторних робіт є вивчення схемних рішеньрелейно-контакторних та мікропроцесорних систем керу-вання АД з фазним ротором, а також ознайомлення з по-рядком розрахунку, моделювання і налагодження вказанихсистем при керуванні двигуном у функції часу або ЕРС.

При підготовці до лабораторних робіт студенти вив-чають будову стенда, програмування модуля EASY таприклади програм, наведених у методичних вказівках.Відповідно заданого варіанта, розраховують величинупускових реостатів та час спрацювання реле часу.

Для моделювання системи використовується бібліо-тека SimPowerSystems пакету МATLAB Simulink. Бібліотекаблоків SimPowerSystems (у версії MATLAB 6.1 і раніше –Power System Blockset) є однією з безлічі додаткових бібліо-тек Simulink орієнтованих на моделювання конкретних при-

строїв. SimPowerSystems містить набір блоків для імітаційно-го моделювання електротехнічних пристроїв. До складубібліотеки входять моделі пасивних і активних електротехніч-них елементів, джерел енергії, електродвигунів, трансформа-торів, ліній електропередачі і тому подібне устаткування.Використовуючи спеціальні можливості Simulink іSimPowerSystems, можна не лише імітувати роботу пристроївв тимчасовій області, але і виконувати різні види аналізу та-ких пристроїв. Безперечною перевагою SimPowerSystems єте, що складні електротехнічні системи можна моделювати,поєднуючи методи імітаційного і структурного моделюван-ня. На рис. 5 наведена спрощена модель пуску АД з фаз-ним ротором у функції часу, де за допомогою блоків IdealSwitch проводиться шунтування опорів (3-Phase Series RLCBranch) в ланцюгу ротора. Блокі Step1-Step2 задають по-слідовність включення ступенів реостату.

Результати моделювання наведені на рис. 6. З графіківвидно, що шунтування ступенів здійснюється на 0,6 та

Рис. 5. Спрощена модель пуску АД з фазним ротором у функції часу

Рис. 6. Результати моделювання

53


A

I01

GFEDCB

002

003

004

005

006

007

008

001

Т01

SQ01

Q02

TТ02

Q03

RQ01

I02

T01

Q01 TТ01

TТ03

T03 Q04

0

5

А І

10

15

-15

-10

-5

0,5 1 1,5 2 2,5 3 t,с

0,8 с. Перехідний процес кутової швидкості закінчуєтьсяна 1,2 с.

Студенти складають програму роботи електроприво-да з врахуванням різних режимів його розгону та галь-мування, відповідно заданого варіанта. Перевіряють роз-роблені програми у програмовному середовищі EASY-SOFT. Запис програми до мікропроцесорного реле відбу-вається за допомогою кабелю EASY-PC-CAB який підми-кається до ПК або безпосередньо програмується мовоюрелейно-контакторних схем (рис. 7) за допомогою вбу-дованого пульта з клавіатурою й індикацією на рідкокри-сталічному дисплеї (рис. 4).

Після програмування реле EASY512 здійснюється ке-рування АД. За допомогою цифрового осцилографа єможливість спостерігати за реальним струмом в колі ро-тора АД (рис. 8) завдяки шунту вбудованому в одну з фаз.

За рис. 8 видно, що в моменти часу 1 та 1,2 с відбу-вається шунтуваня фази ротора АД при цьому зміню-ються амплітуда та частота струму.

Студенти аналізують отримані результати та порівню-ють з результатами моделювання.

ВИСНОВКИМодернізація системи керування лабораторного стен-

да, дослідження роботи асинхронного електроприводадозволяє за розробленою методикою вдосконалюватинавча-льний процес вивчення студентами як будови таособливостей роботи електропривода, так і системи ке-рування реалізованої за допомогою мікропроцесорно-го реле EASY, а також отримувати реальні осцилограмироботи електропривода та порівнювати їх з результата-ми моделювання.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. Совершенствование лабораторного практикума обу-

чения студентов по направлению подготовки «Элек-тромеханика» / [Бондаренко В. И., Орловский И. А.,Пирожок А. В. и др.] // Электротехнические системыи комплексы. – Магнитогорск. – Вып. 20. – 2012. –С. 412–438.

2. Мастепан А. Г. Стенды для исследования основ элек-тропривода / А. Г. Мастепан, С. Н. Лутай // Сборникнаучных трудов «Вестник НТУ «ХПИ» : Проблемиавтоматизованого електроприводу. Теорія і практи-ка. – № 36 – Вестник НТУ «ХПИ», 2013. – С. 509–510.

3. Разработка универсального стенда электроприводана основе элементной базы фирмы «SIEMENS» /

Рис. 7. Програма для пуску АД у дві ступені в функції часута динамічного гальмування написана на мові релейно-

контакторних схем для EASY512

Рис. 8. Осцилограма струму ротора реостатного пуску АД



[Квашин В. О., Наливайко А. М., Колесникова Г. В.,Шульга А. А.] // Вестник НТУ ХПИ Проблемы авто-матизированного электропривода. Теория и прак-тика. – Харьков. – 2008. – C. 134–136.

4. Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципл-іни «Теорія електропривода» для студентів спеціаль-ності 8.092203 – Електромеханічні системи автомати-зації та електропривод денної форми навчання / Укл.: Бондаренко В. І., Крисан Ю. О., Васильєва Є. В. –Запоріжжя : ЗНТУ, 2010. – 16 с.

5. Бондаренко В. І. Основи електропривода : навчаль-ний посібник / В. І. Бондаренко, Ю. О. Крисан. – За-поріжжя : ЗНТУ, 2013. – 402 с.

6. Андрющенко О. А. Электронные программируемыереле серий EASY и MFD-Titan. Учебное пособие дляизучения реле и проектирования систем автоматиза-ции на их основе / О. А. Андрющенко, В. А. Водичев. –Одесса : ДП «Моэллер Электрик», 2006. – 235 с.


Крисан Ю. А.Канд. техн. наук, доцент, Запорожский национальный технический университет, УкраинаМОДЕРНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ИССЛЕДОВАНИЯ АСИНХРОННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМодернизирован лабораторный стенд для исследования режимов работы асинхронного электропривода с

использованием современного микропроцессорного реле фирмы Moeller.Ключевые слова: стенд, электропривод, микропроцессорное реле, система управления, пусковой реостат,

асинхронный электродвигатель.

Krysan Yu.Ph.D. Tech., Associate Professor, Zaporizhzhya National Technical University, UkraineMODERNIZATION OF LABORATORY STAND OF ASYNHRONOUS ELECTRIC DRIVE RESEARCHThe worked out stand is based on the basis of existed laboratory equipment for research of the different modes of

asynchronous electric drive. For a management the modes of starting and braking with the Moeller microprocessor relayis used.

The offered solution of modernization allows simultaneously to investigate work of electromechanical control system,realized on classic to the relay – contact base of management, and system, realized on a modern microprocessorequipment, and also to conduct the necessary tuning of stand constituents and investigate the transient of current slip-ringinduction motoring.

An equipment allows to put right and test the next modes: rheostat starting slip-ring induction motoring in thefunctions of time, reverses, dynamic braking.

The worked out course of laboratory works allows to conduct timing of switching of degrees of resistances andconstruction of electromechanical descriptions slip-ring induction motoring and also to design his work using theSimPowerSystems libraries of МATLAB Simulink package. Creation of program algorithm and its realization as aEASYSOFT program environment are performed. Verification of rightness of the program writing and tuning of allprogram elements parameters are done. It is shown that the removal of the real current is in the phase of rotor (by meansof digital oscillograph) and it is don’t the design comparison of its results.

Keywords: stand, electromechanical, microprocessor relay, control system, starting rheostat, asynchronous electricmotor.

REFERENCES1. Bondarenko V. I., Orlovskij I. A., Pirozhok A. V., Krisan

Ju. A., Osadchij V. V., Zaluzhnyj M. Ju.Sovershenstvovanie laboratornogo praktikumaobuchenija studentov po napravleniju podgotovki«Jelektromehanika», Jelektrotehnicheskie sistemy ikompleksy. Magnitogorsk, Vyp.20, 2012, pp. 412–438.

2. Mastepan A. G., Lutaj S.N. Stendy dlja issledovanijaosnov jelektroprivoda, Sbornik nauchnyh trudov«Vestnik NTU «HPI» : Problemi avtomatizovanogoelektroprivodu. Teorіja і praktika, No. 36, Vestnik NTU«HPI», 2013, pp. 509–510.

3. Kvashin V. O., Nalivajko A. M., Kolesnikova G. V.,Shul’ga A. A.Razrabotka universal’nogo stendajelektroprivoda na osnove jelementnoj bazy firmy

«SIEMENS», Vestnik NTU HPI Problemyavtomatizirovannogo jelektroprivoda. Teorija ipraktika. Har’kov, 2008, pp. 134–136.

4. Metodichnі vkazіvki do laboratornih robіt z disciplіni«Teorіja elektroprivoda» dlja studentіv specіal’nostі8.092203 Elektromehanіchnі sistemi avtomatizacії taelektroprivod dennoї formi navchannja, Ukl.:Bondarenko V. І., Krisan Ju. O., Vasil’єva Є. V.,Zaporіzhzhja, ZNTU, 2010, 16 p.

5. Bondarenko V. І., Krisan Ju. O. Osnovi elektroprivoda :navchal’nij posіbnik. Zaporіzhzhja, ZNTU, 2013, 402 p.

6. Andrjushhenko O. A., Vodichev V. A. Jelektronnyeprogrammiruemye rele serij EASY i MFD-Titan.Uchebnoe posobie dlja izuchenija rele i proektirovanijasistem avtomatizacii na ih osnove. Odessa, DP«Mojeller Jelektrik», 2006, 235 p.

55


УДК 621.313.33

Кулагін Д. О.Канд. техн. наук, доцент, докторант, Запорізький національний технічний університет, Україна

ВИЗНАЧЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ІНДУКТИВНОСТЕЙ АСИНХРОННОГОДВИГУНА З УРАХУВАННЯМ ПРОЦЕСІВ НАСИЧЕННЯ

Встановлена математична залежність між динамічними індуктивностями асинхронної машини та пара-метрами насичення, що є необхідним при оптимізації енергетичних характеристик в залежності від наванта-ження на електропривод при роботі зі зниженим значенням модуля вектора потокозчеплення ротора. Прове-дене дослідження виконано в загальному вигляді, що дозволяє використовувати його результати для асинхрон-них двигунів різних серій.

Ключові слова: асинхронний двигун, намагнічування, потокозчеплення, індуктивність, насичення, матема-тична модель.

ВСТУПДля встановлення оптимальних режимів роботи елек-

троприводів з метою досягнення кутових швидкостейобертання асинхронних двигунів вище за номінальну, приоптимізації енергетичних характеристик в залежності віднавантаження система керування або оператор повинніпереводити двигуни у зону роботи зі зниженим значен-ням модуля вектора потокозчеплення ротора. При такійзміні режимів роботи необхідним є врахування в мате-матичній моделі системи керування тяговою електропе-редачею зміни параметрів тягового двигуна, що пов’яза-на з ефектом насичення магнітної системи асинхронноїмашини [1–5]. В такому разі необхідним є визначеннядинамічних індуктивностей асинхронного двигуна, щозначно змінюються в залежності від насичення [1–3].

АНАЛІЗ ОСТАННІХ ДОСЛІДЖЕНЬ ІПУБЛІКАЦІЙ

В даному напрямку виконана значна робота вітчизня-ними та закордонними науковими школами [1–11], при-чому дослідження процесів насичення асинхронних ма-шин продовжуються і надалі, що пояснюється актуальні-стю даного питання з огляду на стрімкий розвиток системкерування, підвищенням вимог з боку виконавчих ме-ханізмів до якості керування та перехідних процесів.

Отже, з наведеного можна зробити висновок про ак-туальність проведення досліджень в даному напрямку.

ВИДІЛЕННЯ НЕРОЗВ’ЯЗАНИХ РАНІШЕЧАСТИН ЗАГАЛЬНОЇ ПРОБЛЕМИ

Не дивлячись на значну кількість проведених дослід-жень, наявність наукових шкіл за даним напрямком [1, 3,4, 7, 8, 10, 11] залишається ще низка питань, які потребу-ють уточнення, дослідження чи розрахунку. Серед такихпитань знаходиться встановлення математичної залеж-ності між динамічними індуктивностями асинхронноїмашини та параметрами насичення асинхронного дви-гуна, чому і буде присвячена дана стаття.

© Кулагін Д. О., 2014

АКТУАЛЬНІСТЬ ДОСЛІДЖЕННЯВирішення вказаної задачі даної наукової статті доз-

волить проводити розрахунок тангенціальної та радіаль-ної динамічної індуктивностей асинхронної машиниадекватно реальним фізичним процесам насичення, щовідбуваються у асинхронному двигуні.

Мета роботи – встановлення математичної залежностіміж динамічними індуктивностями асинхронної маши-ни та параметрами насичення двигуна.

МАТЕРІАЛИ ДОСЛІДЖЕННЯРозглянемо математичну модель асинхронного дви-

гуна [6]. Напрямок повздовжньої осі d приймається задійсну вісь, а напрямок поперечної q осі – за уявну вісь.Система диференціальних рівнянь, в координатах (d, q),жорстко пов’язаній з ротором тягового асинхронногодвигуна (рівняння Парка) має наступний вигляд:

;

;

;

,

sdsd sd sd r rq

sqsq sq sq r rd

rdrd rd rd

rqrq rq rq

du i r

dtd

u i rdt

du i r

dtd

u i rdt

ψ⎧ = ⋅ + − ω ⋅ψ⎪⎪

ψ⎪= ⋅ + + ω ⋅ψ⎪⎪

⎨ ψ⎪ = ⋅ +⎪⎪ ψ⎪ = ⋅ +⎪⎩

(1)

де ,sd squ u – проекції узагальненого вектора статорноїнапруги sU двигуна; ,rd rqu u – проекції узагальненоговектора роторної напруги rU двигуна; ,rd rqr r –відповідні значення опорів роторних обмоток за напрям-ками системи координат; ,sd sqr r – відповідні значенняопорів статорних обмоток за напрямками системи коор-динат; ,sd sqi i – проекції узагальненого вектора статор-ного струму si двигуна; ,rd rqi i – проекції узагальнено-



го вектора роторного струму ri двигуна; ,rd rqψ ψ – про-екції узагальненого вектора потокозчеплення ротора rψдвигуна; ,sd sqψ ψ – проекції узагальненого вектора по-

токозчеплення статора sψ двигуна; ddt – оператор дифе-

ренціювання за часом; rω – відносна кутова швидкість,яка визначається наступним чином:

rddtθ

ω = . (2)

Системи координат ротора і статора переміщуютьсяодна відносно одної, причому кут θ є кутом між осями ісаме він визначає значення rω . Проекції векторів пото-козчеплення статора sψ та потокозчеплення ротора rψможна визначити так:

;;

;.

sd sd s rd m

sq sq s rq m

rd sd m rd r

rq sq m rq r

i L i Li L i L

i L i Li L i L

σ

σ

σ

σ

ψ = ⋅ + ⋅⎧⎪ψ = ⋅ + ⋅⎪⎨ψ = ⋅ + ⋅⎪⎪ψ = ⋅ + ⋅⎩

(3)

В системі (3) величини sLσ та rLσ є власними індук-

тивностями, а величина mL – взаємною індуктивністюстатора і ротора.

Для значення струму намагнічування можна записа-ти наступне:

2 2 2 2( ) ( ) .d q sd rd sq rqi i i i i i iμ μ μ= + = + + + (4)

Похідна вектора робочого потокозчеплення на основі[1] дорівнює

d dq

qd q

L Mdi di did dL

dt di dt dt dtM L

∂ ∂μ μ μ∂δ δ

∂ ∂μ

⎡ ⎤ψ ψ ⎢ ⎥= ⋅ = ⋅ = ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦

, (5)

де L∂ – тензор динамічних індуктивностей насиченоїмашини, який за своїм математичним змістом є опера-тором, що діючи на нескінченно мале прирощення век-тора намагнічуючого струму iμ , перетворює його увідповідне прирощення вектора робочого потокозчеп-лення δψ .

У відповідності до дослідження [1] приймаємо

d dq

qd q

L Mdi di did dL

dt di dt dt dtM L

∂ ∂μ μ μ∂δ δ

∂ ∂μ

⎡ ⎤ψ ψ ⎢ ⎥= ⋅ = ⋅ = ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦

(6)

де динамічний коефіцієнт взаємоіндукції між осями призміні струму по осі d

0lim sin cos

d

qqd

i d

dM

i dt iμ

δ∂ δ δμ μ

Δ → μ μ

⎛ ⎞Δψ ψ ψ= = − ⋅ η ⋅ η =⎜ ⎟⎜ ⎟Δ ⎝ ⎠

0,5 sin 2 ,d

Mdt i

∂δ δμ

μ

⎛ ⎞ψ ψ= ⋅ − ⋅ η =⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠(7)

динамічний коефіцієнт самоіндукції контуру по осі d

2 20

lim cos sin ,d

d dd

i d d

dL

i i dt iμ

∂ δ δ δ δμ μ

Δ → μ μ μ

Δψ ∂ψ ψ ψ= = = ⋅ η + ⋅ η

Δ ∂ (8)

динамічний коефіцієнт взаємоіндукції між осями призміні струму по осі q

0lim sin cos

q

ddq

i q

dM

i dt iμ

∂ δ δ δμ μ

Δ → μ μ

⎛ ⎞Δψ ψ ψ= = − ⋅ η ⋅ η =⎜ ⎟⎜ ⎟Δ ⎝ ⎠

0,5 sin 2 ,d

Mdt i

∂δ δμ

μ

⎛ ⎞ψ ψ= ⋅ − ⋅ η =⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠(9)

динамічний коефіцієнт самоіндукції контуру по осі q

2 2

0lim sin cos ,

q

q qq

i q q

dL

i i dt iμ

δ δ∂ δ δμ μ

Δ → μ μ μ

Δψ ∂ψ ψ ψ= = = ⋅ η + ⋅ η

Δ ∂ (10)

де μη – кут повороту системи координат проекцій векто-ра намагнічування відносно базисної системи координат.

Для проекцій узагальненого вектора потокозчеплен-ня на осі системи координат (d, q) мають місце наступніспіввідношення:

;sd sd dσ δψ = ψ + ψ (11)

;sq sq qσ δψ = ψ + ψ (12)

;rd rd dσ δψ = ψ + ψ (13)

.rq rq qσ δψ = ψ + ψ (14)

В рівняннях (11)–(14) через , ( , )s r d qσψ позначеновідповідні проекції узагальнених векторів потокозчеплен-ня розсіювання статора та ротора, пов’язаних з дією ста-лих індуктивностей розсіювання обмоток статора sLσ таротора rLσ відповідно.

Для проекцій узагальненого вектора струму намаг-

нічування iμ на осі системи координат (d, q) мають місцеспіввідношення

;d sd rdi i iμ = + (15)

.q sq rqi i iμ = + (16)

57


Розглянемо проекції узагальненого вектора струмунамагнічування iμ на осі системи координат (d, q):

;ddi i δ

μ μδ

ψ= ⋅

ψ (17)

.qqi i δ

μ μδ

ψ= ⋅

ψ (18)

Модуль просторового вектора робочого потокозчеп-лення складає

2 2 .d qδ δ δψ = ψ + ψ (19)

Знайдемо диференціал за часом від виразів (15) та(16), використовуючи вирази (17) та (18),

;d sd rd d ddi didi di d idt dt dt dt dtμ μ δ δ

μδ δ

⎛ ⎞ψ ψ= + = ⋅ + ⋅⎜ ⎟ψ ψ⎝ ⎠

(20)

.q sq rq q qdi di di di d idt dt dt dt dtμ δ δμ

μδ δ

ψ ψ⎛ ⎞= + = ⋅ + ⋅⎜ ⎟⎜ ⎟ψ ψ⎝ ⎠

(21)

У виразах (20), (21) значення похідних можна знайтинаступним чином:

2 ;d

dd

d dd dt dtdt

δ δδ δ

δ

δ δ

ψ ψψ ⋅ − ψ ⋅⎛ ⎞ψ

=⎜ ⎟ψ ψ⎝ ⎠(22)

2 .

qqq

d dd dt dtdt

δ δδ δδ

δ δ

ψ ψψ ⋅ − ψ ⋅ψ⎛ ⎞

=⎜ ⎟⎜ ⎟ψ ψ⎝ ⎠(23)

Тоді матимемо наступне:

.di di ddt d dt

μ μ δ

δ

ψ= ⋅

ψ (24)

В роботі [1] введено поняття радіальної динамічної індук-тивності, яка дорівнює границі відношення прирощеннямодуля робочого потокозчеплення до прирощення намагн-ічуючого струму, якщо останнє прямує до нуля і напрямокйого співпадає з напрямком намагнічуючого струму, а саме

.d

Ldi

∂ δρ

μ

ψ= (25)

Також в роботі [1] введено поняття тангенціальноїдинамічної індуктивності, що являє собою границю відно-шення прирощення робочого потокозчеплення до при-рощення намагнічуючого струму, якщо останнє прямуєдо нуля таким чином, що модуль вектора намагнічую-чого струму залишається незмінним:

.Li

∂ δτ

μ

ψ= (26)

В роботах [7, 8] запропоновано, для спрощення фор-ми запису повної математичної моделі асинхронногодвигуна, використовувати величини, зворотні до радіаль-ної динамічної індуктивності:

1 ,di

YdL

μ∂ρ ∂

δρ

= =ψ (27)

та тангенціальної динамічної індуктивності:

1 .i

YL

μ∂τ ∂

δτ

= =ψ

(28)

Відповідно до дослідження [9], можна наново вирази-ти величини, зворотні до тангенціальної динамічної індук-тивності:

( ) 12 41 2 33 5

1 2 3,n

i iY i i

i i i

−μ μ∂τ μ μ

δ μ μ μ= = = ξ − ξ ⋅ + ξ ⋅

ψ ξ ⋅ − ξ ⋅ + ξ ⋅ (29)

тобто має місце вираз

2 41 2 3 ,nL i i∂

τ μ μ= ξ − ξ ⋅ + ξ ⋅ (30)

де 1 2 3, ,ξ ξ ξ – параметри асинхронної машини, що вра-ховують дію насичення [9].

Знайдемо також радіальну динамічну індуктивність

2 41 2 33 5 .n

dL i i

di∂ δρ μ μ

μ

ψ= = ξ − ⋅ξ ⋅ + ⋅ξ ⋅ (31)

Тоді на основі виразу (31) можна записати:

( ) 12 41 2 32 4

1 2 3

1 3 5 .3 5

nY i ii i

−∂ρ μ μ

μ μ

= = ξ − ⋅ξ ⋅ + ⋅ξ ⋅ξ − ⋅ξ ⋅ + ⋅ξ ⋅ (32)

Приведемо рівняння математичної моделі асинхрон-ного двигуна з урахуванням дії динамічних індуктивнос-тей та намагнічування:

( )2

2 2sd rd d d

d q

di di dY Y Y

dt dt dt∂ ∂ ∂δ δ

ρ τ τδ δ

⎛ ⎞ψ ψ⎜ ⎟+ = ⋅ − ⋅ + +⎜ ⎟ψ + ψ⎝ ⎠

( ) 2 2 ;q q d

d q

dY Y

dtδ δ δ∂ ∂

ρ τδ δ

⎛ ⎞ψ ψ ⋅ψ⎜ ⎟+ ⋅ − ⋅⎜ ⎟ψ + ψ⎝ ⎠

(33)

( ) 2 2sq rq d qd

d q

di di dY Y Y

dt dt dtδ δ∂ ∂ ∂δ

ρ τ τδ δ

⎛ ⎞ψ ⋅ψψ ⎜ ⎟+ = ⋅ − ⋅ + +⎜ ⎟ψ + ψ⎝ ⎠

( )2

2 2 .q q

d q

dY Y Y

dtδ δ∂ ∂ ∂

ρ τ τδ δ

⎞ ⎛ ⎞ψ ψ⎟ ⎜ ⎟+ ⋅ − ⋅ +⎟ ⎜ ⎟ψ + ψ⎠ ⎝ ⎠

(34)



Введемо наступні позначення:

( )2

11 2 2 ;d

d qn Y Y Y∂ ∂ ∂δ

ρ τ τδ δ

⎛ ⎞ψ⎜ ⎟= − ⋅ +⎜ ⎟ψ + ψ⎝ ⎠

(35)

( )12 2 2 ;q d

d qn Y Y δ δ∂ ∂

ρ τδ δ

⎛ ⎞ψ ⋅ψ⎜ ⎟= − ⋅⎜ ⎟ψ + ψ⎝ ⎠

(36)

( )21 122 2 ;d q

d qn Y Y Y n Yδ δ∂ ∂ ∂ ∂

ρ τ τ τδ δ

⎛ ⎞ψ ⋅ψ⎜ ⎟= − ⋅ + = +⎜ ⎟ψ + ψ⎝ ⎠

(37)

( )2

22 2 2 .q

d qn Y Y Yδ∂ ∂ ∂

ρ τ τδ δ

⎛ ⎞ψ⎜ ⎟= − ⋅ +⎜ ⎟ψ + ψ⎝ ⎠

(38)

Тоді будемо мати наступне:

11 12 ;qsd rd d ddi di dn n

dt dt dt dtδδ ψψ

+ = + (39)

21 22 .sq rq qddi di ddn n

dt dt dt dtδδ ψψ

+ = + (40)

Використовуючи дослідження [6–8] для врахуваннякривої намагнічування машини запишемо наступні ви-рази, що дають змогу розрахувати параметри матема-тичної моделі тягового асинхронного двигуна (35)–(38):

( )2 2 2 21 2

11 2

2 3dn

n n

in

L L

δ δ δ μ

∂ ∂δ ρ τ

ξ ⋅ψ + ⋅ψ − ⋅ψ ⋅ξ ⋅= −

ψ ⋅ ⋅

( )2 2 43

2

4 5;

d

n n

i

L L

δ δ μ

∂ ∂δ ρ τ

⋅ψ − ⋅ψ ⋅ξ ⋅−

ψ ⋅ ⋅(41)

2 42 3

12 2

2 4;d q d q

nn n

i in

L Lδ δ μ δ δ μ

∂ ∂δ ρ τ

⋅ ξ ⋅ψ ⋅ψ − ⋅ξ ⋅ψ ⋅ψ=

ψ ⋅ ⋅(42)

( )2 2 21 2

21 2

2 3d qn

n n

in

L L

δ δ δ δ μ

∂ ∂δ ρ τ

ξ ⋅ψ + ⋅ψ ⋅ψ − ⋅ψ ⋅ξ ⋅= −

ψ ⋅ ⋅

( )2 43

2

4 5;

d q

n n

i

L L

δ δ δ μ

∂ ∂δ ρ τ

⋅ψ ⋅ψ − ⋅ψ ⋅ξ ⋅−

ψ ⋅ ⋅(43)

( )2 2 2 21 2

22 2

2 3qn

n n

in

L L

δ δ δ μ

∂ ∂δ ρ τ

ξ ⋅ψ + ⋅ψ − ⋅ψ ⋅ξ ⋅= −

ψ ⋅ ⋅

( )2 2 4

32

4 5,

q

n n

i

L L

δ δ μ

∂ ∂δ ρ τ

⋅ψ − ⋅ψ ⋅ξ ⋅−

ψ ⋅ ⋅(44)

де величини ijnn є відповідно записаними величинами

ijn ( { }, 1,2i j = ) виразів (35)–(38).Наведена математична модель є універсальною, бо

рівняння записані для використання у відносних одини-цях з базисними величинами, що розраховані на основіданих про асинхронний двигун.

НАУКОВА НОВИЗНА1. Вперше встановлена математична залежність між

динамічними індуктивностями асинхронної машини тапараметрами насичення двигуна.

2. Уточнено математичну модель асинхронної маши-ни в координатах (d, q), жорстко пов’язаній з роторомтягового асинхронного двигуна.

ВИСНОВКИ1. Отримані аналітичні вирази дозволяють встанови-

ти математичну залежність між динамічними індуктив-ностями асинхронної машини та параметрами насичен-ня асинхронного двигуна.

2. Використання отриманих залежностей при побу-дові математичної моделі електропривода дозволить про-водити розрахунок тангенціальної та радіальної динамі-чної індуктивностей асинхронної машини адекватно ре-альним фізичним процесам насичення, що відбувають-ся у асинхронному двигуні.

3. Подальші перспективи дослідження у даному на-прямку полягатимуть в уточненні способів апроксимаціїнаведених коефіцієнтів, використанні нових методів вра-хування насичення та більш детальному описі математич-ної моделі асинхронного електропривода для досягненнявисокої ідентичності реальним фізичним процесам.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. Фильц Р. В. Дифференциальные уравнения напря-

жений насыщенных неявнополюсных машин пере-менного тока / Р. В. Фильц // Известия ВУЗов. Элек-тромеханика. – 1966. – № 11. – С. 1195–1203.

2. Boldea I. Induction Machines Handbook / Ion Boldea,Syed A. Nasar. – CRC Press Boca Raton : London, NewYork, Washington, D. C, 2002. – 845 p.

3. Виноградов А. Б. Векторное управление электропри-водами переменного тока / А. Б. Виноградов. – ГО-УВПО «Ивановский государственный энергетичес-кий университет им. В.И. Ленина». – Иваново, 2008. –320 с.

59


4. Мищенко В. А. Теория, способы и системы вектор-ного и оптимального векторного управления элект-роприводами переменного тока : монография / Ми-щенко В. А. – М. : Издательство «Информэлектро»,2002. – 168 с.

5. Пивняк Г. Г. Современные частотно-регулируемыеасинхронные электроприводы с широтно-импульс-ной модуляцией / Г. Г. Пивняк, А. В. Волков. – Днеп-ропетровск, 2006. – 421 с.

6. Кулагін Д. О. Проектування систем керування тяго-вими електропередачами моторвагонних поїздів : мо-нографія / Дмитро Олександрович Кулагін. – Бер-дянськ : ФО-П Ткачук О. В., 2014. – 154 с.

7. Беспалов Б. Я. Математическая модель асинхрон-ного двигателя в обобщенной ортогональной систе-ме координат / Б. Я. Беспалов, Ю. А. Мощинский,А. П. Петров // Электричество. – 2002. – № 8. –С. 33–39.

8. Снегирев Д. А. Дифференциальные уравнения дляисследования электромагнитных переходных про-

цессов частотно-регулируемого асинхронного дви-гателя с учетом насыщения / Д. А. Снегирeв,А. В. Тикунов // Электротехнические комплексы исистемы управления. – 2006. – № 2. – С. 69–73.

9. Кулагін Д. О. Спосіб апроксимації кривої намагнічу-вання тягового асинхронного двигуна / Кулагін Д. О.// Електротехніка та електроенергетика. – 2013. –№ 2. – С. 66–70.

10. Попович О. М. Математична модель асинхронноїмашини електромеханотронної системи для іміта-ційного та структурного моделювання / О. М. Попо-вич // Технічна електродинаміка. – 2010. – № 4. –С. 25–32.

11. Попович О. М. Математична модель для розрахункупускових характеристик асинхронного двигуна з ура-хуванням еквівалентних контурів втрат в сталі статораі ротора / О. М. Попович, І. В. Головань // Електротех-ніка і електромеханіка. – 2006. – № 1. – С. 42–46.


Кулагин Д. А.Канд. техн. наук, доцент, Запорожский национальный технический университет, УкраинаОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ИНДУКТИВНОСТЕЙ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЧЕ-

ТОМ ПРОЦЕССОВ НАСЫЩЕНИЯПроведено исследование способа установления математической зависимости между динамическими ин-

дуктивностями асинхронной машины и параметрами насыщения двигателя, что является необходимым приоптимизации энергетических характеристик в зависимости от нагрузки на электропривод при работе спониженным значением модуля вектора потокосцепления ротора. Проведенное исследование выполнено в об-щем виде, что позволяет использовать его результаты для асинхронных двигателей различных серий.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, намагничивание, потокосцепление, индуктивность, насыщение,математическая модель.

Kulagin D. O.Candidate of technical sciences, assistant professor, Zaporozhye national technical University, UkraineDEFINITION OF DYNAMIC INDUCTANCES OF THE ASYNCHRONOUS ENGINE WITH REGARD TO

PROCESSES OF SATURATIONDevelopment of mathematical model of asynchronous machines in (d, q) coordinate system with taking into account

the saturation of magnetic circuits is performed. In the paper, we used the method of dynamic inductances, which isconnected with the use of a systematic study of motor properties. An analytical model of asynchronous motor magneticcircuit, which is taken into account action of the tangential and radial dynamic inductances is created. On the basis of thisthe sensor dynamic inductances of rich machine, which was recorded in (d, q) coordinate system of equations of rotor andstator circles of asynchronous motor with the saturation were built. The author suggests to use the method of dynamicinductances at construction of asynchronous engine mathematical model, that allows to take into account the saturationof the main magnetic path for the modes with a wide range of changes in the flow of mutual induction between the statorand the rotor, saturation flow path, the scattering modes that are characterized by large current circuits of the machine,induction, due to processes of saturation, between mutually perpendicular to the contours of the machine, as well as thejoint saturation worker thread and threads scattering modes that are characterized by the significant size of the workflowand large values of currents contours of the machine. The mathematical model allows to take into account the change ofthe magnetic state of asynchronous motor as necessity to build adequate systems of control drives and driving.

Keywords: asynchronous motor, magnetization, magnetic, inductance, saturation, mathematical model.



REFERENCES1. Fil’ts R. V. Differencial’nye uravnenija naprjazhenij

nasyshhennyh nejavnopoljusnyh mashinperemennogo toka, Izvestiya VUZov.Elektromekhanika, 1966, No. 11, pp. 1195–1203.

2. Boldea I., Syed A. Nasar Induction MachinesHandbook, CRC Press Boca Raton, London, New York,Washington, D.C, 2002, 845 p.

3. Vinogradov A. B. Vektornoe upravleniejelektroprivodami peremennogo toka, GOUVPO«Ivanovskiy gosudarstvennyy energeticheskiyuniversitet im. V.I. Lenina», Ivanovo, 2008, 320 p.

4. Mishchenko V. A. Teorija, sposoby i sistemyvektornogo i optimal’nogo vektornogo upravlenijajelektroprivodami peremennogo toka. Monografija,Moscow, Izdatel’stvo «Informelektro», 2002, 168 p.

5. Pivnyak G. G., Volkov A. V. Sovremennye chastotno-reguliruemye asinhronnye jelektroprivody s shirotno-impul’snoj moduljaciej, Dnepropetrovsk, 2006, 421 p.

6. Kulagin D. O. Proektuvannja system keruvannjatjagovymy elektroperedachamy motorvagonnyhpoi’zdiv : monografija, Berdyansk, FO-P Tkachuk O. V.,2014, 154 p.

7. Bespalov B. Ya., Moshchinskiy Yu. A., Petrov A. P.Matematicheskaja model’ asinhronnogo dvigatelja vobobshhennoj ortogonal’noj sisteme koordinat,Elektrichestvo, 2002, No. 8, pp. 33–39.

8. Snegirev D. A., Tikunov A. V. Differencial’nyeuravnenija dlja issledovanija jelektromagnitnyhperehodnyh processov chastotno-reguliruemogoasinhronnogo dvigatelja s uchetom nasyshhenija,Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemyupravleniya, 2006, No. 2, pp. 69–73.

9. Kulagin D. O. Sposib aproksymacii’ kryvoi’namagnichuvannja tjagovogo asynhronnogodvyguna, Elektrotehnika ta elektroenergetyka, 2013,No. 2, pp. 66–70.

10. Popovych O. M. Matematichna model’ asinhronnoїmashini elektromehanotronnoї sistemi dlja іmіtacіjnogota strukturnogo modeljuvannja, Tehnichnaelektrodynamika, 2010, No. 4, pp. 25–32.

11. Popovych O. M., Golovan’ I. V. Matematichna model’dlja rozrahunku puskovih harakteristik asinhronnogodviguna z urahuvannjam ekvіvalentnih konturіv vtratv stalі statora і rotora, Elektrotehnika ielektromehanika, 2006, No. 1, pp. 42–46.

61


II. ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКАУДК 621.311

Сивокобыленко В.Ф.1, Деркачев С. В.2

1 Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические станции» Донецкий национальный техническийуниверситет, Украина

2Аспирант, Донецкий национальный технический университет, Украина,E-mail: [email protected]

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПУСКОВЫХ ОРГАНОВ БАВР ВСИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ

Рассмотрен способ повышения надeжности систем электроснабжения с двигательной нагрузкой при крат-ковременных нарушениях электроснабжения за счeт совершенствования пусковых органов быстродействую-щего автоматического включения резерва (БАВР) на основе предложенного метода ускоренного определениякомплексных мгновенных значений токов и напряжений прямой и обратной последовательностей. Приведенпример успешного действия устройства БАВР с использованием предложенного подхода.

Ключевые слова: быстродействующее автоматическое включение резерва, двигательная нагрузка, пуско-вой орган, прямая последовательность, обратная последовательность.

Для повышения надeжности электроснабжения круп-ных промышленных предприятий и систем собственныхнужд электростанций их питание должно осуществлять-ся не менее чем от двух независимых источников. Приналичии двух источников питания схему питающей под-станции выполняют с двумя секциями, которые для обес-печения взаимного резервирования соединяют междусобой секционным выключателем (рис. 1).

В нормальном режиме работы нагрузка каждой сек-ции получает питание от своего источника, а в аварий-ном режиме, секция, потерявшая питание, переключа-ется на резервный источник включением секционноговыключателя (KQ). Команда на отключение выключате-

© Сивокобыленко В.Ф., Деркачев С. В., 2014

Т1

Q1

СШ I

Т2

Q2

СШ IIKQ

К1

Рис. 1. Схема питающей подстанции

ля рабочего питания и включение секционного подает-ся от устройств автоматического включения резерва(АВР), в которых пусковые органы выполняют на осно-ве контроля напряжения, частоты или угла между векто-рами напряжений взаиморезервируемых секций. Одна-ко на подстанциях, питающих синхронные и асинхрон-ные двигатели, с целью предотвращения несинхроннойподачи резервного питания требуется снижение напря-жения на секции до уровня, допустимого по условиямнесинхронного включения, что увеличивает время пе-рерыва питания.

Длительность перерыва питания при переключениисекции на резервный источник оказывает значительноевлияние на успешность самозапуска электродвигателей,так как в соответствии с [1] при снижении напряжениясинхронные двигатели, нагруженные до 0,8–0,9 номи-нальной мощности уже через 0,2–0,4 секунды могутвыпасть из синхронизма. Во время последующего вос-становления питания из-за недостаточного асинхронно-го момента эти электродвигатели могут не втянуться всинхронизм и отключаются защитами [2].

Целью данной работы является совершенствованиепусковых органов БАВР, которые позволят сократить вре-мя перерыва питания, предотвратить выход двигателей изсинхронизма и обеспечить их успешный самозапуск.

В последнее время для минимизации времени пере-рыва питания и глубины снижения напряжения при по-тере питания по какой-либо причине в системах элект-роснабжения с двигательной нагрузкой применяют уст-ройства БАВР [1]. Устройства БАВР позволяют осуще-ствить синфазную подачу резервного питания. Сущ-ность такого подхода заключается в том, что резервноепитание подается на двигатели в момент совпадения пофазе векторов остаточного напряжения на двигателях инапряжения резервного источника питания, т.е. после


62 ISSN 1607–6761. Електротехніка та електроенергетика. 2014. №1

первого проворота вектора остаточного напряжения нашинах на 3600 или при допустимых отклонениях по углу.Однако и в этих случаях успешный самозапуск двигате-лей не всегда обеспечивается.

Современный уровень развития микропроцессорныхтехнологий и выпуск быстродействующей коммутаци-онной аппаратуры позволяют создавать устройстваБАВР с более сложными алгоритмами, которые позво-ляют выполнить подачу резервного питания до достиже-ния углом между векторами остаточного и резервногонапряжений значений менее 400–600, что в большинствеслучаев позволяет предотвратить нарушение динамичес-кой устойчивости двигательной нагрузки.

Известен ряд способов [3–6] построения логики пус-кового органа БАВР на основе анализа параметров сис-темы в режиме реального времени. Логика работы пус-кового органа БАВР при этом строится на сравненииуровней напряжений на взаиморезервируемых секци-ях, сравнении угла между напряжениями или токамиосновной и резервной секций, контроле направления токаили активной мощности на вводах основной и резерв-ной секций. Ряд этих способов включает в себя такжеизмерение и преобразование комплексных действующихзначений напряжений и токов в комплексные напряже-ния и токи прямой и обратной последовательности.

В соответствии с [7] значения токов и напряженийпрямой и обратной последовательностей рассчитываютпо следующим формулам:

21 ( ),3ПР A B CХ Х a Х a Х= ⋅ + ⋅ + ⋅ (1)

21 ( ).3ОБ A B CХ Х a Х a Х= ⋅ + ⋅ + ⋅ (2)

где 23

ja e

⋅π⋅

= – фазовый множитель; , ,A B CХ Х Х – век-торы комплексных действующих значений токов или на-пряжений по фазам.

Алгоритм, который позволяет выполнить измерениевращающегося вектора и представить его в комплекс-ной форме, согласно [8], основывается на двух выборкахсинусоидального сигнала ( )x t известной частоты ω, взя-тых через интервал времени h , и на решении системыуравнений (3) и (4), из которой находят амплитуду mX ифазу ϕ этого сигнала.

( ) cos( ),mx t X t= ⋅ ω⋅ + ϕ (3)

( ) cos( ( ) ).mx t h X t h+ = ⋅ ω⋅ + + ϕ (4)

Значение амплитуды и фазы измеряемого сигнала изрешения системы уравнений (3) и (4) по известным двумвыборкам t1 и t2 имеет вид:

2 22 2 1 1

1 ( ) 2 ( ) ( ) cos( ) ( ) ,sin( )mX x t x t x t h x t

h= − ⋅ ⋅ ⋅ ω⋅ +

ω⋅ (5)

11

( )arcсоs .

m

x tt

Xϕ = −ω⋅ (6)

Если принять выборки сигнала через время h, соот-ветствующее углу поворота вектора на 900, то из выра-жений (3) и (4) следует более простое выражение дляопределения mX :

2 2( ) ( ) .mX x t x t h= + + (7)

Однако, недостатком такого подхода является то, чтовыборки косинусоидального сигнала, взятые через

0( ) 90t hω⋅ + = приводят к замедлению реакции пуско-вых органов БАВР на возникновение аварийного режи-ма. При значениях h , соответствующим углам менее 900,усложняются расчeтные выражения для определенияамплитуды mX и угла ϕ вектора.

Поэтому рассмотрим другой подход к определениювекторов мгновенных комплексных значений токов (на-пряжений).

Как известно, вектор, представленный в комплекснойплоскости, в любой момент времени имеет проекции нареальную и мнимую оси (рис. 2), которые соответствен-но равны:

( ) cos( ),mx t X tα = ⋅ ω⋅ + ϕ (8)

( ) sin( ).mx t X tβ = ⋅ ω⋅ + ϕ (9)

Тогда, выражение для ( )X t может быть записано вследующем виде:

( )( ) ( ) ( )

cos( ) sin( ).

j tm

m m

X t x t j x t X e

X t j X t

ω⋅ +ϕα β= + ⋅ = ⋅ =

= ⋅ ω⋅ + ϕ + ⋅ ⋅ ω⋅ + ϕ(10)

Определим мгновенные комплексные значения век-тора (10) на основе двух мгновенных значений (рис. 3),взятых через время h, порядка одной миллисекунды, со-ответствующее углам менее 200, и который не требуетопределения амплитудного значения mX , так как ампли-туду измеряемого сигнала можно принять неизменнойна интервале времени h .

Рис. 2. Вектор ( )X t , представленный в комплекснойплоскости

+1

+j

X(t)

Xα (t)φ

Xβ (t)

ω·t

63


t, сек

X, о.е.

0 0.01 0.02t1 t2

x(t1)x(t2)

h

Рис. 3. Измерение мгновенных значений

Обозначим через 1( )x t мгновенное значение измеря-емой величины на предыдущем шаге, а через 2( )x t натекущем шаге. Предположим, что и являются проекци-ями соответствующего вектора комплексного действу-ющего значения на реальную ось в комплексной плос-кости, тогда:

1 1 1( ) cos( ) ( ),mx t X t x tα = ⋅ ω⋅ + ϕ = (11)

2 2 2( ) cos( ) ( ).mx t X t x tα = ⋅ ω⋅ + ϕ = (12)

Для определения проекции вектора на мнимую осьвыразим 2( )x tα через 1( )x tα с учeтом того, что2 1t t h= + :

2 1

1

1

( ) cos( )cos( ) cos( )

sin( ) sin( ).

m

m

m

x t X t hX t h

X t h

α = ⋅ ω⋅ + ϕ + ω⋅ =

⋅ ω⋅ + ϕ ⋅ ω⋅ −

− ⋅ ω⋅ + ϕ ⋅ ω⋅(13)

Подставив из (11) в выражение (13) вместо

1cos( )mX t⋅ ω ⋅ + ϕ , измеренное на предыдущем шаге

значение 1( )x tα , получим:

2 1

1

( ) ( ) cos( )sin( ) sin( ).m

x t x t hX t hα α= ⋅ ω⋅ −

− ⋅ ω⋅ + ϕ ⋅ ω⋅ (14)

Из выражения (14) найдeм синусную составляющуювектора 1( )x tβ как:

1 1

1 2

( ) sin( )

( ) cos( ) ( ).

sin( )

mx t X t

x t h x th

β

α α

= ⋅ ω⋅ + ϕ =

⋅ ω⋅ −=

ω⋅(15)

Зная косинусную (11) и синусную (15) составляющиевектор комплексного действующего значения можнопредставить в виде:

1 21

( ) cos( ) sin( )( ) cos( ) ( )

( ) .sin( )

m mX t X t jX tx t h x t

x t jh

α αα

= ω⋅ + ϕ + ω⋅ + ϕ =

ω⋅ −= +

ω⋅(16)

Определив по (16) для всех трех фаз комплексы векто-ров мгновенных значений токов или напряжений, под-

ставим их в (1) и (2) и, после преобразования, получиммгновенные значения комплексов прямой и обратнойпоследовательностей:

1( ) ) ( )

2( ,ПР

A BC A BCt j xX x x xα β β α= + +⎡ ⎤⋅ − ⋅⎣ ⎦ (17)

1( ) ) ( )

2( ,ОБ

A BC A BCt j xX x x xα β β α= + ⋅⎡ ⎤⋅ + −⎣ ⎦ (18)

где ,3

B CBC x x

x β ββ

−= (19)

.3

B CBC x x

x α αα

−= (20)

Амплитуды векторов прямой и обратной последова-тельностей найдeм для момента времени 1 2( )0,5 t t+τ = ⋅

2 21) ( )

2( ) ( ,A BC A BC

ПР xX x x xα β β α+τ = ⋅ − + (21)

2 21) ( )

2( ) ( .A BC A BC

ОБ xX x x xα β β ατ = ⋅ + + − (22)

Фазы векторов прямой и обратной последовательно-стей можно определить по формулам:

)(( ) arccos ,

( )

A BC

ПРПР

x x

Xα β⎡ ⎤−

⎢ ⎥ϕ τ = − ω⋅ ττ⎢ ⎥⎣ ⎦

(23)

( )( ) arcсos .

( )

A BC

ОБОБ

x x

Xα β⎡ ⎤+

⎢ ⎥ϕ τ = − ω⋅ ττ⎢ ⎥⎣ ⎦

(24)

Коэффициент несимметрии тока или напряженияможет быть определeн по следующей формуле:

( ).

( )ОБ

НЕСПР

XK

X

τ=

τ (25)

Разработанный алгоритм позволяет получить мгно-венные значения амплитуд и фаз прямой и обратнойпоследовательностей на основе двух измеренных мгно-венных фазных значений в режиме реального времени,а также определить угол между векторами тока и напря-жения прямой (обратной) последовательностей, а сле-довательно и направление мощности по знаку косинусаэтого угла:

( ) ( ) ( ),ПР I ПР U ПРΔϕ τ = ϕ τ − ϕ τ (26)

( ) ( ) ( ).ОБ I ОБ U ОБΔϕ τ = ϕ τ − ϕ τ (27)



Такой подход позволяет сократить время действияпускового органа БАВР на появление аварийного режи-ма в питающей сети.

Приведем пример обеспечения успешного действияразработанного способа БАВР применительно к систе-ме электроснабжения с двигательной нагрузкой (рис. 1),в которой используются трансформаторы Т1 и Т2 мощ-ностью 16000 кВА, а к секциям подключены постоянная(мощностью 2 МВт) и двигательная нагрузки (асинхрон-ный двигатель мощностью 4000 кВт и синхронный дви-гатель 10000 кВт). Разработанное устройство БАВР [9]включает в себя измерение напряжений и токов прямойпоследовательности и определение углов между токамипрямой последовательности основного и резервногоисточников питания и напряжениями прямой последо-вательности основного и резервного источников пита-ния. Логическая схема работы такого устройства БАВРпредставлена на рис. 4.

Приведем результаты моделирования возникшегодвухфазного короткого замыкания в точке К1 (рис. 1) ипереключения питания секции, потерявшей питаниевследствие короткого замыкания, с помощью устройстваБАВР на резервный источник. Короткое замыкание воз-никло в момент времени t1=2,3 с, отключение вводноговыключателя секции происходит в момент времениt2=2,39 с, а включение секционного выключателя в мо-мент времени t3 = 2,49 с.

Результаты моделирования были получены с помо-щью математической модели, в которой трансформато-ры и двигатели были описаны полными дифференци-альными уравнениями, а логическая часть была записа-на в соответствии с рис. 4.

На рис. 5 – рис. 9 приведены графики изменения то-ков на вводах секций СШ I и СШ II (рис. 1.), напряженийна секциях, а также скорости вращения роторов асинх-ронного и синхронного двигателей. На рис. 10 – рис. 14приведены графики изменения токов прямой последо-вательности на вводе секции и угла между ними и напря-жения прямой последовательности на секциях. В каче-стве коммутационного аппарата выбраны вакуумныевыключатели BB/TEL – 6 (10). Полное время отключениявыключателя, согласно [10], принято 0,07 с, а время вклю-чения 0,1 с. Время реакции пускового органа БАВР, реа-гирующего на фазовый сдвиг между токами прямойпоследовательности на вводах секций (рис. 14), состави-ло 0,02 с. Таким образом, цикл переключения на резерв-ный источник питания составил 0,19 с.

Таким образом, ускоренное действие БАВР достига-ется при внешних коротких замыканиях за счeт контроляфазового сдвига между векторами токов прямой после-довательности на вводах секций, питающихся от основ-ного и резервного источников питания, а при потерепитания за счет контроля фазового сдвига между векто-рами напряжений прямой последовательности на сек-циях, что позволяет обеспечить успешный самозапускэлектродвигателей.

СШ I СШ II

KQTV1 TV2

TA1 TA2

Q1 Q2

Блок управления

выключателями

Измерение угла между векторами напряжения

Измерение угла между векторами токов

Ucш1>Uуст Ucш2>Uуст

Icш1<Iуст Icш2<Iуст

БАВР

1 1

1 1

& &

Блок управления Q1

Блок управления Q2

Рис. 4. Логическая схема устройства БАВР

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.52000

1000

0

1000

2000I, A

t, секt1 t2

Рис. 5. График изменения токов на вводе СШ I

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.52500

1250

0

1250

2500I, A

t, секt3

Рис. 6. График изменения токов на вводе СШ II

65


2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.58000

4000

0

4000

8000

t, сек

U, В

t1 t2 t3

Рис. 7. График изменения напряжений на СШ I

U, В

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.58000

4000

0

4000

8000

t, секt3

Рис. 8. График изменения напряжений на СШ II

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

t, сек

ω, о.е.

ωАД

ωСД

t2t1 t3

Рис. 9. График изменения скорости вращения ротораасинхронного и синхронного двигателей

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.50

500

1000

1500

2000

t, сек

I, A

t1 t2

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.50

625

1250

1875

2500 I, A

t, секt3

Рис. 10. График изменения токов ПП СШ I

Рис. 11. График изменения токов ПП СШ II

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.50

2000

4000

6000

8000

t, сек

U, В

t1 t2 t3

Рис. 12. График изменения напряжений ПП на СШ I

2 2.15 2.3 2.45 2.6 2.75 2.9 3.05 3.2 3.35 3.54000

5000

6000

7000

8000

t, сек

U, В

t3

Рис. 13. График изменения напряжений ПП на СШ II

2.25 2.26 2.28 2.29 2.31 2.32 2.33 2.35 2.36 2.38 2.391

0

1

2

3

t, сек

Δ φ, рад

t1

Рис. 14. График изменения угла между токами ПП



Разработан способ определения мгновенных комп-лексных значений токов (напряжений) прямой и обрат-ной последовательностей по двум значениям сигнала,измеренным через 1 миллисекунду. При этом выходныезначения амплитуд и фаз векторов представлены в видепостоянных сигналов в режиме реального времени.

Результатами моделирования подтверждена эффек-тивность разработанного БАВР в системах электроснаб-жения с синхронными и асинхронными двигателями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Гребченко Н. В. Совершенствование быстродейству-

ющего АВР в системах электроснабжения с синх-ронными двигателями: дис. кандидата техническихнаук: 05.14.02 / Гребченко Николай Васильевич. – Д.,1985. – 237 с.

2. Слодарж М. И. Режимы работы, релейная защита иавтоматика синхронных электродвигателей /М. И. Слодарж. – М. : Энергия, 1977. – 216 с.

3. Киреева Э. Современные устройства быстродей-ствующего АВР / Э. Киреева, В. Пупин, Д. Гумиров// Главный энергетик. – 2005. – № 11. – С. 23–25.

4. Никулов И. Комплекс БАВР Быстродействие повы-шает надeжность электроснабжения / И. Никулов,В. Жуков, В. Пупин // Новости электротехники. –2012. – № 4. – С. 2–4.

5. Патент на изобретение 2326481(13) C1, Российскаяфедерация, МПК H02J 9/06 Способ автоматическо-го включения резервного электропитания потреби-телей и устройство для его осуществления /Цырук С. А., Гамазин С. И., Пупин В. М., Козлов В. Н.,Павлов А. О.; заявитель и правообладатель Государ-ственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Московскийэнергетический институт (технический универси-тет)» (ГОУВПО«МЭИ(ТУ)»). – № 2006139086/09; за-явка 07.11.2006; опубл. 07.11.2006

6. Патент на изобретение 2447565(13) С1, Российскаяфедерация, МПК H02J 9/06 Способ автоматическо-го включения резервного электропитания потреби-телей и устройство для его осуществления / Гама-зин С. И., Жуков В. А., Куликов А. И., Пупин В. М.,Цырук С. А.; заявитель и правообладатель Федераль-ное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образо-вания «Национальный исследовательский универ-ситет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»). – №2011105886/07; заявка 17.02.2011; опубл. 17.02.2011.

7. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротех-ники / Л. А. Бессонов. – М. : Высшая школа, 1996. –638 с.

8. Шнеерсон Э. М. Цифровая релейная защита /Э. М. Шнеерсон. – М. : Энергоатомиздат, 2007. – 549 с.

9. Патент на полезную модель 80430, Украина МПК8Н02J 9/00., Способ автоматического включения ре-зервного электропитания потребителей / Сивокобы-ленко В. Ф., Деркачев С. В.; заявитель и правообла-датель ГВУЗ «Донецкий национальный техническийуниверситет»; заявка u201214451; опубл. 27.05.2013.

10. Эксплуатация вакуумных выключателей BB/TEL–6(10) // [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://forca.ru/instrukcii-po-ekspluatacii/podstancii/ekspluataciya-vakuumnyh-vyklyuchatelei-bb/tel-610.html


Сивокобиленко В. Ф.1, Деркачов С. В.21Д-р техн. наук, професор, завідувач кафедри «Електричні станції» Донецький національний технічний уні-

верситет, Україна2Аспірант, Донецький національний технічний університет, УкраїнаСПОСІБ ПІДВИЩЕННЯ ШВИДКОДІЇ ПУСКОВОГО ОРГАНУ АВТОМАТИЧНОГО ВКЛЮЧЕННЯ

РЕЗЕРВАРозглянуто спосіб підвищення надійності систем електропостачання з двигуновим навантаженням при

короткочасних порушеннях електроживлення за рахунок вдосконалення пускових органів швидкодіючого АВРна основі запропонованого методу прискореного визначення комплексних миттєвих значень струмів та напругпрямої та зворотної послідовності. Наведено приклад успішної дії пристрою швидкодіючого АВР з використан-ням запропонованого підходу.

Ключові слова: швидкодіюче автоматичне включення резерву, двигунові навантаження, пусковий орган,пряма послідовність, зворотна послідовність

67


Sivokobilenko V.F.1, Derkachov S.V.21Professor, Doctor of Technical Sciences, head of department «Electric stations» Donetsk National Technical University,

Ukraine2Postgraduate, Donetsk National Technical University, UkraineMETHOD FOR INCREASING OF FAST-ACTING AUTOMATIC TRANSFER SWITCHThe method for reliability of increasing of electrical power supply system with motor load at short-time power failure

by improvement of fast-acting automatic transfer switch starting element is considered. Starting element of fast-actingautomatic transfer switch on proposed method is based on definition of the angles between direct sequence voltages onmain and reserve power sources and between direct sequence currents on main and reserve power sources. Definition ofdirect and inverse sequences currents and voltages values on introduced method is based on measuring and processingof current and voltage momentary values. The example of the fast-acting automatic transfer switch successful operationwith using of the offered approach is given.

Keywords: fast-acting automatic transfer switch, motor load, starting element, direct sequence, inverse sequence.

REFERENCES1. Grebchenko N. V. Sovershenstvovanie

byistrodeystvuyuschego AVR v sistemahelektrosnabzheniya s sinhronnyimi dvigatelyami: dis.kandidata tehnicheskih nauk: 05.14.02. D., 1985, 237 p.

2. Slodarzh M.I. Rezhimyi rabotyi, releynaya zaschita iavtomatika sinhronnyih elektrodvigateley. Moscow,Energiya, 1977, 216 p.

3. Kireeva E., Pupin V., Gumirov D. Sovremennyieustroystva byistrodeystvuyuschego AVR, Glavnyiyenergetik, 2005, No. 11, pp. 23–25.

4. Nikulov I., Zhukov V., Pupin V. Kompleks BAVRByistrodeystvie povyishaet nadYozhnostelektrosnabzheniya, Novosti elektrotehniki, 2012,No. 4,pp. 2 – 4.

5. Tsyiruk S. A., Gamazin S. I., Pupin V. M., Kozlov V. N.,Pavlov A. O. Patent na izobretenie 2326481(13) C1,Rossiyskaya federatsiya, MPK H02J 9/06 Sposobavtomaticheskogo vklyucheniya rezervnogoelektropitaniya potrebiteley i ustroystvo dlya egoosuschestvleniya; zayavitel i pravoobladatelGosudarstvennoe obrazovatelnoe uchrezhdenievyisshego professionalnogo obrazovaniya«Moskovskiy energeticheskiy institut (tehnicheskiyuniversitet)» (GOUVPO«MEI(TU)»), №2006139086/09;zayavka 07.11.2006; opubl. 07.11.2006.

6. Gamazin S. I., Zhukov V. A., Kulikov A. I., Pupin V. M.,Tsyiruk S. A. Patent na izobretenie 2447565(13) S1,Rossiyskaya federatsiya, MPK H02J 9/06 Sposobavtomaticheskogo vklyucheniya rezervnogoelektropitaniya potrebiteley i ustroystvo dlya egoosuschestvleniya; zayavitel i pravoobladatelFederalnoe gosudarstvennoe byudzhetnoeobrazovatelnoe uchrezhdenie vyisshegoprofessionalnogo obrazovaniya «Natsionalnyiyissledovatelskiy universitet «MEI» (FGBOU VPO «NIUMEI»). - № 2011105886/07; zayavka 17.02.2011; opubl.17.02.2011.

7. Bessonov L. A. Teoreticheskie osnovyi elektrotehniki.Moscow, Vyisshaya shkola, 1996, 638 p.

8. Shneerson E. M. Tsifrovaya releynaya zaschita.Moscow, Energoatomizdat, 2007, 549 p.

9. Sivokobyilenko V. F., Derkachev S. V. Patent napoleznuyu model 80430, Ukraina MPK8 N02J 9/00.,Sposob avtomaticheskogo vklyucheniya rezervnogoelektropitaniya potrebiteley ; zayavitel i pravoobladatelGVUZ «Donetskiy natsionalnyiy tehnicheskiyuniversitet»; zayavka u201214451; opubl. 27.05.2013.

10. Ekspluatatsiya vakuumnyih vyiklyuchateley BB/TEL–6(10) // [Elektronnyiy resurs]. Rezhim dostupa: http://forca.ru/instrukcii-po-ekspluatacii/podstancii/ekspluataciya-vakuumnyh-vyklyuchatelei-bb/tel-610.html



УДК 613.313

Ткаченко С. Н.Канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Донецкий Национальный технический университет», Украина, E-Mail: [email protected]

ЭНЕРГОСИСТЕМА БУДУЩЕГО. КОНЦЕПЦИЯ SMART GRID.СПЕЦИФИКА РЕАЛИЗАЦИИ НА УКРАИНЕ

Работа посвящена проблематике построения электроэнергетических систем будущего. Детально рас-смотрены все современные стратегические направления развития источников генерации электроэнергии иэнергосистем в целом. Отдельным пунктом выделены энергосистемы концепции Smart Grid с большой долейвозобновляемых источников энергии, а также специфика реализации на Украине. Рассмотрен проект соору-жаемого в ДонНТУ учебно-научного центра «Smart Grid – ДонНТУ», в котором реализована физическаямодель «интеллектуальной» энергетической системы.

Ключевые слова: интеллектуальная электроэнергетическая система, физическая модель, возобновляемыеисточники энергии, концепция Smart Grid, учебно-научный центр «Smart Grid – ДонНТУ».

© Ткаченко С. Н., 2014

ПОСТАНОВКА ВОПРОСАВ настоящее время на Украине, как и во всем мире,

очень остро стоит проблема исчерпаемости традицион-ных ископаемых энергоносителей, как например, камен-ный уголь, природный газ, торф, урановая руда. Соглас-но статистическим данным, запасов ископаемого топ-лива хватит человечеству примерно на 60–80 лет [1, 2].На сегодняшний день в мире существуют несколько стра-тегических направлений, касающихся перспектив про-изводства тепловой и электрической энергии. Следуетвыделить наиболее важные из них:

1. Разработка новых способов получения электро-энергии (например, проект создания термоядерного ре-актора ITER [3]).

2. Усовершенствование технологического цикла су-ществующих тепловых, атомных и гидравлических элек-трических станций [4] за счeт модернизации основногои вспомогательного оборудования, оборудования сис-темы собственных нужд, внедрения новейших цифро-вых автоматизированных систем управления технологи-ческим процессом (АСУ ТП).

3. Увеличение доли возобновляемых источников элек-троэнергии (ВИЭ) и накопителей энергии (НЭ) в элект-роэнергетических системах (ЭЭС).

4. Внедрение концепции «умной» или «интеллекту-альной» энергосистемы (Smart Grid) в принципы пост-роения (управления) энергетическими системами с боль-шой долей ВИЭ [2–6].

5. Увеличение устойчивости энергосистемы за счeтприменения релейной защиты и противоаварийной ав-томатики (РЗиА), построенной с использованием новей-шей аппаратной базы и защитной логики.

6. Разработка и внедрение различных способов эко-номии или энергосбережения электрической энергии(различные энергосберегающие технологии, SmartHouse, Smart Metering и т. д.).

После аварии, произошедшей в Японии на атомнойэлектростанции (АЭС) Фукусима весной 2011 года, даль-нейшее использование ядерной энергии во многих стра-

нах мира поставлено под вопросом. Так, например, вГермании в течение десяти лет все существующие АЭСдолжны быть выведены из эксплуатации [7]. На Украинерешения подобного рода не приемлемы, так как отече-ственные атомные электростанции вырабатывают око-ло 50 % всей мощности, и являются стратегическимиструктурными элементами энергосистемы. Альтерна-тивным выходом из данной ситуации является масштаб-ное внедрение ВИЭ. В качестве примера такого подходаможно привести снова Германию, в которой доля аль-тернативных источников в энергетической системе наокончание 2012 года составила 25 % от всей установлен-ной мощности генерации [8].

Однако следует отметить, что генерируемая мощ-ность ветроэлектростанциями (ВЭС), солнечными элек-тростанциями (СЭС), когенерационными электростан-циями (КгЭС) и другими альтернативными источника-ми энергии не является постоянной величиной и зави-сит от природных условий – наличие ветра, активностисолнечного излучения и т. д. В этом случае такая неста-бильность генерации ВИЭ вносит свои отрицательныекоррективы в устойчивую работу энергосистемы. Каксправедливо отмечено в [2, 4], классический принципорганизации управления электроэнергетическими сис-темами не подходит для ЭЭС с большой долей ВИЭ. Ве-дущими мировыми специалистами в области энергети-ки была разработана концепция Smart Grid [2–6] или кон-цепция «умной энергосистемы». ЭЭС Smart Grid подра-зумевает использование в процессе организации и уп-равления новейших технологий и алгоритмов, таких как,виртуальные электростанции (ВрЭС), FACTS-системы,фазоры или PMU (Phasor Measurement Unit) [9], вставкипостоянного тока (HDVC), различного типа накопителиэнергии (в том числе и электромобили) и т.д. Построе-ние систем связи, телекоммуникаций, систем управле-ния и РЗиА базируется на основе использования прото-кола МЭК (IEC) 61850. В качестве базовых источниковэлектроэнергии (базовые электростанции) предусматри-ваются классические конденсационные тепловые элект-

69


1 – традиционные крупные тепловые и атомные электростанции;2 – классические гидроэлектростанции; 3 – крупныепромышленные потребители; 4 – малые ГТУ-ТЭЦ; 5 – промышленные потребители; 6 – накопители энергии; 7 – биогазовыеэлектростанции;8 – солнечные электростанции; 9 – потребители социальной сферы; 10 – ветровые электростанции; 11 – малыегидроэлектростанции; 12 – бытовые потребители; 13 – когенерационные электростанции;14 – железнодорожный транспорт;

ВрЭС – виртуальная электростанция

Рис. 1. Структурная схема энергосистемы концепции Smart Grid

ростанции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). ДляУкраины, как уже говорилось ранее, в качестве базовыхвыступают, безусловно, и атомные электрические стан-ции. Следует отметить тенденцию модернизации энер-гоблоков отечественных ТЭС и АЭС (компания ДТЭК,НАК «Энергоатом» и др.), построенных еще в советскоевремя, а также тенденцию проектирования и будущегосооружения блоков нового поколения украинских ТЭСноминальной мощностью от 320 МВт до 660 МВт [4].

Доля ВИЭ на Украине по данным на 2013 год состав-ляет около 1,1 % от всей установленной мощности гене-рации [10]. Этот факт объясняется лишь тем, что отече-ственная альтернативная энергетика находится на началь-

ном этапе развития. Также можно подчеркнуть высо-кую стоимость ВИЭ и их технического обслуживания.Однако, несмотря на это, такие крупные компании, какДТЭК, «Active-Solar», «Fuhrl nder-віндтехнолоджі», ве-дут активную политику по внедрению и продвижениюВИЭ на Украине. В качестве примера результативностиэтой политики за пять прошлых лет можно привести стро-ительство крупнейшей в Европе СЭС мощностью 100МВт в Крыму (компания «Activ-Solar»), сооружение ВЭСили ветропарка суммарной мощностью 90 МВт в п. Бо-тиево (первая очередь Ботиевской ВЭС, ДТЭК «ВиндПауэр»), строительство новых 23 ветроагрегатов единич-ной мощностью 2500 кВт на Новоазовской ВЭС (Ново-азовская ВЭС, «Fuhrl nder-віндтехно-лоджі») и др.

ä

ä



Рис. 2. Структурная схема силовой части учебно-научной центра «Smart Grid – ДонНТУ»

Исходя из вышеизложенного материала следует, чтов мире остро стоит вопрос о детальном изучении, отра-ботки принципов построения ЭЭС концепции Smart Grid,исследовании статических и динамических режимов ра-боты, исследования поведения устройств систем управ-ления, РЗиА и др. Как справедливо отмечено в [11], ЭЭСконцепции Smart Grid – это, прежде всего решение длянового облика государственной экономики, а не реше-ние одной компании или предприятия.

УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «SMARTGRID – ДОННТУ»

Осознавая всe это в Донецком национальном техни-ческом университете (ДонНТУ) совместно с Магдебур-гским Отто фон Герике Университетом (OVGU) при под-держке ведущих компаний (Siemens, ДТЭК, «Active-Solar», ООО «Донтехпром», и др.) сооружается учебно-научный центр «Smart Grid – ДонНТУ» [12].

Силовая часть лаборатории «Smart Grid – ДонНТУ»(см. рис. 2) представляет собой блочную структуру, вкоторой в виде блоков реализованы физическая модельТЭС, реальная солнечная электростанция, модели вет-

роагрегатов ВЭС, накопители энергии, компенсатор ре-активной мощности. Также реализован специальныйстенд для детального изучения современной микропро-цессорной релейной защиты серии SiprotecTM производ-ства фирмы Siemens®.

Физическая модель конденсационной турбины ТЭСв проекте выполнена с помощью асинхронного элект-родвигателя (АЭД) с короткозамкнутым ротором (КЗР),установленного на одном валу с синхронным генерато-ром переменного тока. Работа турбины реализуется ввиде программы, которая заложена в памяти преобра-зователя частоты Siemens® SinamicsTM. Данная програм-ма позволяет имитировать различные режимы (напри-мер, режим изменения активной мощности и т.д.). Сис-тема управления моделью ТЭС связана с системой уп-равления всей лаборатории Smart Grid с помощью шиныданных PROFIBUS. В качестве элементной базы приня-ты аппаратная и программная продукция фирмыSiemens®.

По аналогии с моделью ТЭС, описанной ранее потексту, созданы модели ветроагрегатов (ВА), которыеотличаются типом генератора. На первой установке,

71


согласно проекта, установлен асинхронный генераторпеременного тока с КЗР, а на второй – синхронный гене-ратор с постоянными магнитами на роторе в качествесистемы возбуждения. На валу с генератором также ус-танавливается АЭД с КЗР, представляющий собой мо-дель ветроколеса. Благодаря подключению электродви-гателей к сети через преобразователь частоты (ПЧ) осу-ществлена сис-тема моделирования ветроагрегатов (мо-делирование различной активности по ветру, питч-регу-лирование и т. д.). Все генераторы переменного тока вет-роустановок подключаются к энергосистеме через ПЧ,что позволяет стабилизировать частоту напряжения.Система управления моделью ВА должна подключатьсяс помощью шины PROFIBUS к общей системе управле-ния учебно-научного центра «Smart Grid – ДонНТУ».

Солнечная электростанция (СЭС), реализованная влаборатории, представляет собой 55 современных сол-нечных панелей (батарей) производства украинскогопредприятия «Квазар» [13]. Суммарная мощность СЭСсоставляет 10 кВт. Выдача мощности в сеть производит-ся с помощью инвертора, ведомого сетью Siemens®

SINVERTTM PVM10. Система автоматического управле-ния СЭС через шину данных PROFIBUS соединена с об-щей системой управления Smart Grid. Так как солнечнаяэлектростанция реализована на серийно выпускаемыхаппаратных и программных продуктах фирмы Siemens®,то данная установка может быть использована в каче-стве базовой, для диагностики работы других солнечныхэлектростанций Донецкого региона и Украины в целом.

Водород, получаемый путeм электролиза воды, гораз-до дороже, получаемого из природного газа. Несмотряна это, в ЭЭС концепции Smart Grid процесс производстваводорода, вырабатываемого путeм электролиза в периодизбытка вырабатываемой электрической энергии ВИЭ,является актуальным [14]. Таким образом, процесс пре-образования излишней электроэнергии от ВИЭ в водородявляется накоплением энергии. Обратное превращениеили трансформация водорода в электрическую энергиюпроизводиться с помощью с водородных топливных эле-ментов (ВТЭ). Современные ВТЭ способны в 2–3 разасократить потребность в органическом топливе для ТЭСи существенно сократить вредные выбросы в атмосферу.Также следует подчеркнуть тенденцию развития и вне-дрения гибридных водородных двигателей в автомобиле-строении, например, применение в городском транспор-те Берлина низкопольных автобусов MAN® Lion City Bus[15]. В качестве модели водородной установки (ВУ) с ВТЭбыла принята учебная станция «Nexa® Lernsystem» (но-минальная мощность 1,2 кВт). Данная ВУ оснащена необ-ходимыми системами контроля и оптимизации, а такжевстроенной системой энергоменеджемента. С помощьюшины данных PROFIBUS интегрируется в общую систе-му управления лабораторией.

Отдельным пунктом следует отметить лабораторныйстенд, созданный для исследования современных циф-

ровых устройств РЗиА производства фирмы Siemens®.Стенд включает микропроцессорные терминалыSiprotecTM 7SD61, SiprotecTM 7SJ64 и SiprotecTM 7SA611. Вкачестве защищаемого объекта используется асинхрон-ный электродвигатель (АЭД) с КЗР номинальной мощ-ностью 5,5 кВт и напряжением статора 0,4 кВ. На стендесмонтированы все необходимые элементы: вводные ав-томаты 0,4 кВ, автомат оперативного постоянного тока220 В, необходимые клеммные короба, система пере-ключения между терминалами, светодиодные индика-торы, система имитации короткого замыкания, необхо-димые трансформаторы тока и напряжения и др. На-стройка, программирование и управление терминала-ми осуществляется с помощью специального программ-ного обеспечения Siemens® DigSiTM, установленного наспециальном персональном компьютере. Стендподключeн к шине 0,4 кВ распределительного устрой-ства лаборатории «Smart Grid-ДонНТУ», и представляетсобой в физической модели узел с двигательной нагруз-кой (присоединение кабель-двигатель).

При построении лабораторной установки использу-ется принцип поддержания в узле постоянного значенияреактивной мощности за счeт применения динамичес-ких компенсаторов реактивной мощности (процесс ре-гулирования индуктивности компенсатора с последую-щей компенсацией этой мощности с помощью конден-саторных батарей). Данная система обеспечивает мак-симальное быстродействие компенсатора, что позволя-ет повысить его эффективность, и является одним из важ-ных моментов ЭЭС с мощными ветропарками (компен-сация реактивной мощности ВА в пусковых режимах).

В совокупности данная лаборатория позволяет фи-зически моделировать различного рода нормальные,анормальные и аварийные режимы работы энергосис-тем концепции Smart Grid. К таким режимам следует от-нести синхронизацию генераторов, компенсацию реак-тивной мощности, перетоки мощности, динамическиережимы работы ветрогенераторов, солнечных панелейСЭС, динамические режимы процессов накопления-раз-ряда накопителей энергии, устойчивость энергосисте-мы и режимы работы виртуальных электростанций и др.Особенно следует подчеркнуть специальный стенд дляисследования микропроцессорных устройств РЗиА, по-зволяющий приобрести навыки работы с современны-ми терминалами, а также исследовать их работоспособ-ность в различных аварийных и анормальных режимах.

В целом внедрение учебно-научного центра в Дон-НТУ будет способствовать повышению качества обуче-ния и подготовки студентов и кадров высшей квалифика-ции [12,16] с учeтом тенденций развития современнойэнергетики, а также может послужить для повышения ква-лификации и уровня инженерных работников энергопред-приятий, занимающихся эксплуатацией силовой частиэнергетических объектов, устройств РЗиА, АСУ ТП и др.



ВЫВОДЫНа основе изложенного материала можно сделать

вывод о целесообразности сооружения и последующеговнедрения учебно-научного центра «Smart Grid –ДонНТУ»в Донецком национальном техническом университете, ко-торый позволит исследовать динамические и статическиережимы работы электроэнергетических систем концеп-ции Smart Grid с большой долей возобновляемых источ-ников энергии. Сооружение такого центра будет способ-ствовать улучшению подготовки студентов-выпускниковуниверситета, кадров высшей квалификации, кадров про-изводственного технического персонала энергопредпри-ятий, а также развитию и внедрению ЭЭС концепции ин-теллектуальной энергосистемы на Украине.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Сибикин Ю. Д. Нетрадиционные и возобновляемые

источники энергии: учебное пособие / Ю. Д. Сиби-кин, М. Ю. Сибикин. – М. : КНОРУС, 2010. – 232 с.

2. Стычинский З. А. Возобновляемые источники энер-гии: Теоретические основы, технологии, техническиехарактеристики, экономика / З. А. Стычинский, Н. И.Воропай. – Magdeburg: Издательство Магдебургско-го университета имени Отто-фон-Герике (Otto-von-Guericke-Universit t Magdeburg). docupoint GmbH,2010. – 209 с.

3. Официальный сайт международного проекта ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor).Режим доступа: http://www.iter.org

4. Стогній Б. С. Інтелектуальні електричні мережі елек-троенергетичних систем та їхнє технологічне забез-печення / Б. С. Стогній, О. В. Кириленко, С. П. Дени-сюк // Технічна електродинаміка. – 2010. – № 6. –С. 44–50.

5. Официальный сайт компании Siemens® (Сименс)Smart Grid. Режим доступа: http://w3.siemens.com/smartgrid/global/en/Pages/Default.aspx

6. Официальный сайт агентства по возобновляемойэнергетике. Режим доступа: http://www.rea.org.ua

7. Официальный сайт Информационно-аналитическо-го портала «Империя». Демонтаж АЭС обойдетсяГермании в десятки миллиардов евро. http://www.imperiya.by/news.html

8. Официальный сайт Deutsche Welle. Германия про-извела четверть электроэнергии из возобновляемыхисточников. Режим доступа: http://www.dw.de

9. Khan R. H. Wide area PMU communication over a WiMAXnetwork in the smart grid / R.H. Khan, J.Y.Khan /Proceedings of Smart Grid Communications(SmartGridComm) IEEE Third International Conference. –2012. – P. 187–192.

10. Официальный сайт программы финансированияальтернативной энергетики в Украине (USELF). Ре-жим доступа:http://www.uself.com.ua/

11. Информационный портал ЛІГА.net. Интеллектуаль-ные сети Smart Grid: экспертное мнение. Режим дос-тупа: http://blog.liga.net/user/epopova/article/6447.aspx

12. Официальный сайт научно-учебного центра «SmartGrid–ДонНТУ». Режим доступа: http://smartgrid.donntu.edu.ua

13. Официальный сайт ПАО «Квазар». Режим доступа:http://www.kvazar.com/

14. Международный информационный научный пор-тал «Водород». Режим доступа: http://www.hydrogen.ru

15. Газета о пассажирском транспорте «Омнибус».Гибридные, красивые, экономичные. Режим досту-па: http://www.omnibus.ru/zarubezhe/zarubezhe14

16. Левшов А. В. О математическом моделированиифотоэлектрических модулей / А. В. Левшов,А. Ю. Федоров // Наукові праці Донецького націо-нального технічного університету. Серія «Електро-техніка та енергетика». – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ»,2013. – № 1 (14). – С. 153–158.

Cтаття надійшла до редакції 07.05.2014.

Ткаченко С. М.Канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», УкраїнаЕНЕРГОСИСТЕМА МАЙБУТНЬОГО. КОНЦЕПЦІЯ SMART GRID. СПЕЦИФІКА РЕАЛІЗАЦІЇ НА

УКРАЇНІРобота присвячена проблематиці побудови електроенергетичних систем майбутнього. Детально розгляну-

то всі сучасні стратегічні напрямки розвитку джерел генерації електроенергії та енергосистем у цілому. Окре-мим пунктом виділено енергосистеми концепції Smart Grid з великою часткою поновлюваних джерел енергії, атакож специфіка реалізації на Україні. Розглянуто проект навчально-наукового центру «Smart Grid – ДонНТУ»,що споруджується у ДонНТУ, в якому реалізована фізична модель «інтелектуальної» енергетичної системи.

Ключові слова: інтелектуальна електроенергетична система, фізична модель, поновлювані джерела енергії,концепція Smart Grid, навчально-науковий центр «Smart Grid – ДонНТУ».

ä

73


Tkachenko S. N.Associate professor, Candidate of Technical Sciences, Donetsk National Technical University, UkrainePOWER SYSTEM OF THE FUTURE. THE CONCEPT OF SMART GRID. SPECIFICITY OF REALIZATION

IN UKRAINEWork is dedicated to a perspective of electrical power systems creation of the future. All modern strategic directions

of generation sources development of the electrical power and power supply systems as a whole are in details considered.Special item in work is allocated to power supply systems of the Smart Grid conception with a big share of renewableenergy sources, and also specificity of their realization in Ukraine. The project of educational scientific center «SmartGrid – DonNTU» constructed in Donetsk National Technical University in which the physical model of an «intellectual»power system is realized is considered. The power part of «Smart Grid – DonNTU» laboratory represents blockstructure in which in the blocks form such models are realized: physical model of a thermal power plant, a real solarpower plant, wind turbines models, energy stores, reactive power compensators. The special bench for detailed studyingof modern digital relay protection of the SiprotecTM series of Siemens® production is also realized. The physical modelof the condensation turbine of a thermal power plant, and also models of wind-generating installations are executed bymeans of induction electrical motors with the short-circuited rotor, established on one shaft with generators of AC current.The solar power plant realized in laboratory, represents fifty five modern solar panels of the Ukrainian production witha total power of 10 kW. As model of hydrogen installation with hydrogen fuel cells in the project was accepted theeducational station «Nexa® Lernsystem» with a rated power of 1,2 kW was created. This installation is equipped withnecessary monitoring and optimization systems, and also built-in system of power management. At creation of laboratoryinstallation the principle of maintenance in node constant value of reactive power due to use of dynamical reactive powercompensators that will allow providing the maximum speed of the compensator is assumed as a basis and to increase itsefficiency. By means of the PROFIBUS data bus all elements of physical model is integrated into the general control systemof laboratory. In total this laboratory allows to model physically different normal, abnormal and emergency conditions ofpower supply systems of the Smart Grid conception work.

Keywords: intellectual electrical power system, physical model, renewable energy sources, the conception of SmartGrid, educational scientific center «Smart Grid – DonNTU».

REFERENCES1. Sibikin Y. D., M. Y. Sibikin Alternative and renewable energy

sources: tutorial. Moscow, KNORUS, 2010, 232 p.2. Stychinsky Z. A., Voropai N. I. Renewable energy

sources: Theoretical bases, technologies,specifications, economics. Magdeburg, Otto-von-Guericke-Universit t Magdeburg docupoint GmbH,2010, 209 p.

3. The official website of the international project ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor).Access: http://www.iter.org

4. Stogniy B. S., Kirilenko O. V., Denysyuk S. P. Smartelectric grid power systems and their technologicalsupport, «Technical electrodynamics», 2010, No. 6, pp.44–50.

5. Official site of Siemens® Smart Grid. Access: http://w3.siemens.com/smar tgr id/global/en /Pages/Default.aspx

6. Official Site of renewable energy agency. Access: http://www.rea.org.ua

7. The Official Website of Information-analytical Portal«Empire». Dismantling of nuclear power plants inGermany will cost tens of billions of euros. Access:http://www.imperiya.by/news.html

8. Official site of Deutsche Welle. Germanium produced aquarter of electricity from renewable sources. Access:http://www.dw.de

9. Khan R. H., Khan J. Y.Wide area PMU communicationover a WiMAX network in the smart grid, Proceedingsof Smart Grid Communications (SmartGridComm)IEEE Third International Conference, 2012, pp. 187–192.

10. The official website of funding alternative energy inUkraine (USELF). Access: http://www.uself.com.ua/

11. LІGA.net Information Portal. Intellectual network SmartGrid: expert opinion. Access: http://blog.liga.net/user/epopova/article/6447.aspx

12. The Official Website of Research and Education Center«Smart Grid – DonNTU». Access: http://smartgrid.donntu.edu.ua

13. Official site of PAO «Kvazar». Access: http://www.kvazar.com/

14. International Information Research Portal «Hydrogen».Access: http://www.hydrogen.ru

15. «Omnibus» Newspaper Passenger Transport website.Hybrid, beautiful, economical. Access: http://www.omnibus.ru/zarubezhe/zarubezhe14

16. Levshov A. V., Fedorov A. Y. About mathematicalsimulation of photovoltaic modules, Proceeding of StateInstitution of Higher Education «Donetsk NationalTechnical University». Series «Electrical and PowerEngineering». Donetsk, 2013, volume 1 (14), pp. 153–158.

ä



УДК 620.91

Ярымбаш Д. С.1, Даус Ю. В.2

1Канд. техн. наук, доцент, Запорожский национальный технический университет, Украина2Ассистент, Запорожский национальный технический университет, Украина, Е-mail: [email protected]

ОСОБЕННОСТИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ СОЛНЕЧНОЙРАДИАЦИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СОЛНЕЧНЫХ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙДля оценки энергетического потенциала солнечной энергии района установки солнечной электростанции

предложена методика определения энергетического потока солнечной радиации, основанная на комбинацииметода применения дневного профиля поступления солнечной радиации при абсолютно чистом небе и актино-метрических данных электронной базы NASA, с последующей идентификацией характеристик энергетическо-го потока методами разделения переменных и аппроксимации. Методика учитывает географические коорди-наты, реальные атмосферные условия, обладает высокой точностью и вычислительной эффективностью.

Ключевые слова: солнечная энергия, географические координаты, атмосферные условия, энергетическийпоток, идентификация.

В последние годы использование возобновляемыхисточников энергии, в частности солнечной энергии, по-лучило широкое развитие. Это связано с уменьшениемвыбросов вредных веществ из-за сокращения потребле-ния дефицитного ископаемого топлива, повышениемтарифов на электрическую энергию, введением эконо-мических и политических стимулов привлечения инвес-тиций в сектор возобновляемой энергетики. Однако досих пор одними из основных проблем остаются высокаясебестоимость выработанной электрической энергии, атакже необходимость аккумулирования или резервиро-вания электроснабжения из-за непостоянства характери-стик приходящей первичной (солнечной) энергии. Бо-лее точная оценка потенциала солнечной энергии по-зволит спрогнозировать достоверно выработку электри-ческой энергии, а, следовательно, и оценить величину еесебестоимости.

В настоящее время при проектировании солнечныхэлектростанций для определения интенсивности солнеч-ной радиации наибольшее распространение получилиметодики: с наличием полной информации и при ограни-ченном объеме информации [1]. В первом случае в каче-стве исходных используются результаты актинометричес-ких измерений, полученные на метеостанциях и занесен-ные в климатические справочники и электронные базыданных, за выбранный период осреднения, что позволяетдать статистически оправданные оценки потенциала ин-соляции. Однако получить достоверную информацию ораспределении поступающей радиации достаточно слож-но, из-за небольшого количества и неравномерного рас-положения актинометрических станций по территорииУкраины. Существующие справочные данные весьмаограничены [2]. Практически все существующие сейчасэлектронные базы данных (E.S.R.A., WRDC и др.) состав-лены на основе информации, полученной с метеостан-ций и как климатологические справочники и не обладаютполнотой исходной информации для определения потен-циала солнечной энергии для произвольно выбраннойгеографической точки (региона).

© Ярымбаш Д. С., Даус Ю. В., 2014

Наиболее полной для использования на территорииУкраины является база данных, созданная Национальнымагентством аэронавтики и исследования космическогопространства США NASA. Она содержит интерполиро-ванный массив характеристик солнечной радиации, по-лученный в результате спутниковых измерений с верифи-кацией его с наземными актинометрическими данными,то есть данные одинаковые для всей площади квадрата 1°х1° и равняются соответствующим величинам для точки скоординатами центра этого квадрата. Поэтому использо-вание таких усредненных данных при определении потен-циала солнечной энергии не позволяет также учитыватьклиматологические особенности региона [3] и может при-водить к существенной погрешности расчетов.

Методики, используемые при ограниченном объемеинформации [4], требуют оценки достоверности получен-ных согласно им результатов, так как не позволяют адек-ватно учитывать атмосферные условия. Последнее воз-можно путем их корректировки на основе данных актино-метрических измерений, которые, как было сказано выше,не всегда доступны для исследуемого района.

Кроме того, согласно действующим нормам проек-тирования гелиоустановок, расчет необходимо прово-дить по часовым суммам солнечной радиации для каж-дого дня года [5], при этом необходимо учитывать все еесоставляющие: прямую, рассеянную и отраженную. Этосвязано с тем, что особенностью приходящего солнеч-ного излучения на территории стран СНГ является дос-таточно высокая доля диффузной радиации в радиаци-онном балансе: от 21 % летом до 60 % зимой [3]. Указан-ные ранее источники актинометрической информациисодержат преимущественно годовые и месячные сум-мы потока солнечной радиации и только в местах уста-новки актинометрических станций. То есть для исследо-вания рабочих характеристик фотоэлектрических уста-новок по часам для каждого дня года необходимо пере-считать интерполированные среднемесячные дневныесуммы потока солнечной радиации, поступающей нагоризонтальные поверхности, в их часовые значения.

75


Таким образом, существующие методики определе-ния интенсивности солнечной радиации требуют боль-шого массива исходной информации не всегда доступ-ной для проектировщиков солнечных электростанций. Врезультате чего для рассматриваемого региона установ-ки для одной группы методик могут отсутствовать пол-ный объем данных про все составляющие солнечнойрадиации, а для другой – невозможно будет точно учестьреальные атмосферные условия.

Поэтому для проектирования солнечных электроус-тановок актуальна разработка новой высокоэффектив-ной инженерной методики определения интенсивностивсех составляющих солнечной радиации, которая обла-дает алгоритмической простотой, не требует значитель-ных вычислительных ресурсов, учитывает реальные ат-мосферные условия рассматриваемого региона, удов-летворяет требованиям точности, быстродействия и мо-жет быть адаптирована к особенностям различных реги-онов, для которых планируется использование электро-установок.

Целью работы является разработка объективно-адап-тированной методики определения интенсивности пря-мого, рассеянного и отраженного солнечного излуче-ния для повышения точности и вычислительной эффек-тивности инженерной методики расчета, учитывающейвлияние реальных атмосферных условий на величинучасовых сумм солнечной радиации и характер измене-ния инсоляции в течение суток и года, с целью оценкиэнергетического потенциала солнечной энергии районаустановки солнечной электростанции на начальном эта-пе ее проектирования.

Согласно [6], расчет интенсивности солнечного из-лучения производится на основе системы уравнений,включающей в себя уравнения для потока прямого drHR

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

<θ=

>θτ⋅θ⋅=

0,соs если,0

0,соs если,cos

tn

tntndrtnс

tndrHR

ЕtndrHR(1)

рассеянного dfHR

tndftnсЕtndfHR τ⋅θ⋅= cos , (2)

и отраженного rfHR солнечного излучения

з)( rtndfHRtndrHRtnrfHR ⋅+= , (3)

где 2м/кВт367,1=сЕ – нормальная плотность потокаасолнечного излучения в космосе; tnθ – угол падениясолнечных лучей на приемную поверхность горизон-тальную к поверхности Земли (далее в тексте – горизон-тальная приемная поверхность или площадка), который

зависит от широты местности ϕ, времени t и порядково-го номера суток n; tndrτ – коэффициент, учитывающийпреломление и поглощение прямого солнечного излу-чения в атмосфере озоном, газовой смесью, водянымпаром; а также релеевское и аэрозольное рассеяния сол-нечного излучения; tndfτ – коэффициент, учитывающийпреломление и поглощение солнечной радиации в ат-мосфере озоном, газовой смесью, водяным паром, час-тицами аэрозоля; релеевское и аэрозольное рассеяниясолнечного излучения; зr – коэффициент отражения зем-ной поверхности (альбедо).

Однако, система уравнений (1)–(3) не учитывает ат-мосферные условия, которые оказывают существенноевлияние на характеристики солнечного излучения. Дляучета влияния на характеристики инсоляции процессов,происходящих в атмосфере, предлагается в систему урав-нений (1)–(3) ввести коэффициент адаптации к атмос-ферным условиям, значение которого будет определять-ся исходя из среднемесячных значений дневных суммпрямой и рассеянной солнечной радиации, приходящей-ся на 1 м2 горизонтальной приемной площадки, полу-ченных на основе актинометрических измерений, а так-же в результате расчетов по методу применения дневно-го профиля поступления солнечной радиации при абсо-лютно чистом небе:

,,,rdr iКntdrHRr

ntdrHR ⋅= (4)

rdf iКntdfHRr

ntdfHR ,,, ⋅= (5)

з),,(, rrntdfHRr

ntdrHRrntrfHR ⋅+= . (6)

Коэффициенты учета реальных атмосферных усло-

вий для прямой и рассеянной солнечной радиации rdr iК

и для і-го месяца находятся из условия минимума отно-сительной погрешности:

⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

−⋅

−−⋅

=ε

∑ ∑= =

)(

,)(

min)min(12

n

24

112

2

1

iii

n

n tiii

idr nnDRH

rntdrHRnnDRH

i

i , (7)

⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

−⋅

−−⋅

=ε

∑ ∑= =

)(

,)(

min)min(12

n

24

112

2

1

iii

n

n tiii

idf nnDFH

rntdfHRnnDFH

i

i , (8)

где ii DFHDRH , – среднемесячные значения дневныхсумм, соответственно, прямой и рассеянной солнечной ра-



диации, приходящейся на 1 м2 горизонтальной приемнойплощадки, полученных на основе актинометрических изме-рений для i-го месяца, кВт·ч/(м2·сутки); ii nn 21 , – порядко-вый номер дня начала и конца месяца соответственно.

В качестве базы данных используется электроннаябаза Национального агентства аэронавтики и исследо-вания космического пространства США (NASA) [3].

Методом упорядоченного перебора установлена об-ласть проекций матрицы коэффициента адаптации к ре-альным атмосферным условиям: 10 ≤≤ r

dr iК , 21 ≤≤ rdfiК

для корректировки интенсивности суммарной солнечнойрадиации (4)–(6), размерность которой соответствует сет-ке географических координат базы NASA.

Однако, шаг варьирования среднемесячных значенийдневных сумм прямой и рассеянной солнечной радиа-ции, приходящейся на 1 м2 горизонтальной приемнойплощадки, в базе NASA достаточно большой – 1°, в ре-зультате чего указанные величины одинаковые для всейплощади участка величиной 111 км х 65,5 км и равняют-ся соответствующим величинам для точки с координа-тами центра этого участка, площадь которого значитель-но превышает размеры типовых проектов солнечныхэлектростанций. Следовательно, необходимо расширитьдиапазон варьирования данных путем аппроксимацииполученных значений коэффициентов адаптации к ат-мосферным условиям. Для расширения диапазона иден-

а) б)

в) г )

Рис. 1. Зависимости коэффициента адаптации прямой и рассеянной солнечной радиации к атмосферным условиям отгеографических координат для всей территории Украины: а, б – прямая солнечная радиация для января и июня

соответственно; в, г – рассеянная солнечная радиация для января и июня соответственно

77


тификации коэффициентов адаптации (4), (5) от геогра-фических координат (широта и долгота) для каждого ме-сяца применялись методы кубической сплайн-интерпо-ляции и аппроксимации [7]:

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

ϕ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛λ⋅=λϕ=

ϕ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛λ⋅=λϕ=

∑ ∑

∑ ∑

ξ

ξ

ϑ

ϑξϑ

ξ

ξ

ϑ

ϑξϑ

ii

ii

Kdf

Kdr

Crdf iКr

df iК

Crdr iКr

dr iК

,

,

),(

,),(

{ }12...2,1∈∀i , (9)

где λ – долгота местности, °в.д.Зависимости коэффициента адаптации прямой и рас-

сеянной солнечной радиации к атмосферным условиямот географических координат места установки солнеч-ной электростанции на основе кубической интерполя-ции сплайнами для января и июня для координат50,5°…40,5° с.ш., 24,5°…40,5° в.д. представлены на рис. 1.

Для рассматриваемой области с координатами50,5°…40,5° с.ш., 24,5°…40,5° в.д погрешность расчета пометодике (1)–(3) с использованием коэффициентов адап-тации к атмосферным условиям (9) по сравнению с дан-ными метеостанций [2], расположенных в контрольных

Месяц Город, координаты Значение Единицы

измерений I II III IV V VI

справочное 1,58 2,95 4,21 6,33 7,74 8,31

расчетное кВт·час/ м2·сутки 1,54 3,02 4,31 6,53 8,09 8,71

Киев 50.27°с.ш.30.31°в.д.

отклонение % 2,4 –2,2 –2,4 –3,2 –4,5 –4,8

справочное 1,84 2,91 4,58 6,21 7,70 8,27


Полтава 46.34°с.ш 34.34°в.д

отклонение % 3,3 4,2 4,5 –2,7 –4,0 –4,7

справочное 2,25 2,83 4,70 6,29 7,63 8,23


Херсон 46.38°с.ш 32.36°в.д

отклонение % 3,3 –4,8 0,2 –3,8 –4,9 –4,8

Месяц Город, координаты Значение Единицы

измерений VII VIII IX X XI XII

справочное 7,97 6,61 5,05 3,42 1,90 1,24


Киев 50.27°с.ш.30.31°в.д.

отклонение % –4,7 –3,3 –4,4 –4,1 –4,6 –4,0

справочное 8,16 6,73 5,09 3,46 2,17 1,54


Полтава 46.34°с.ш 34.34°в.д

отклонение % –3,2 –4,7 0,1 –2,1 5,3 0,7

справочное 7,93 6,80 5,40 3,83 2,52 1,77


Херсон 46.38°с.ш 32.36°в.д

отклонение % –4,8 –3,8 0,1 3,5 3,7 –0,2

точках, не входящих в узлы сетки координат базы данныхНАСА, не превышает 5 % что говорит о высокой точно-сти и вычислительной эффективности предложеннойметодики (табл. 1).

ВЫВОДЫВыполнена идентификация зависимости коэффици-

ента адаптации прямой и рассеянной солнечной радиа-ции к атмосферным условиям от географических коор-динат места установки солнечной электростанции наоснове кубической интерполяции сплайнами с погреш-ностью не более 1 %.

Разработанная объективно-адаптивная методика ин-женерного расчета энергетического потока солнечнойрадиации, основанная на комбинации метода примене-ния дневного профиля поступления солнечной радиа-ции при абсолютно чистом небе и актинометрическихданных электронной базы NASA, с последующей иден-тификацией характеристик энергетического потока ме-тодами разделения переменных и аппроксимации, по-зволяет учесть географические координаты, реальныеатмосферные условия, обладает высокой точностью (от-носительная погрешность менее 5 %) и вычислительнойэффективностью.

Таблица 1. Расчетные значения среднемесячных суточных сумм суммарной солнечной радиации, а также их отклонение отданных метеостанций для г. Киев, Полтава и Херсон



Предложенная методика может быть использованадля определения интенсивности суммарной солнечнойрадиации на начальном этапе проектирования солнеч-ных электроустановок.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. Методы расчета ресурсов возобновляемых источ-

ников энергии : учебное пособие / [А. А. Бурмист-ров, В. И. Виссарионов, Г. В. Дерюгина и др.]; подред В.И. Виссарионова. – 2-е изд., стер. – М. : Изда-тельский дом МЭИ, 2009. – 144 с.: ил.

2 Справочник по климату СССР [Текст]: справ.: в 29вып. Вып.10: Украинская ССР: в 3 частях: Часть 1:Солнечная радиация, радиационный баланс и сол-нечное сияние / под ред. В. И. Гришко, Л. И. Мисю-ры. – Л. : Гидрометеоиздат, 1966. – 125 с.

3 The NASA Surface Meteorology and Solar Energy DataSet center [Электронный ресурс] – 2009.– Режимдоступа к базе: http://easweb/larc.nasa.gov/sse/.

4. Кондратьев К. Я. Лучистая энергия солнца. [Текст] /К. Я. Кондратьев. – Л. : Гидрометиздат, 1954. – 600 с.

5. ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водо-снабжения. Нормы проектирования». – М. : Гос-гражданстрой, 1988. – 13 с.

6. Bird R. A simplified clear sky model for direct and diffuseinsolation on horizontal surfaces. [Text] / R. Bird,R. L. Hulstrom // SERI/TR-642-761, Solar EnergyResearch Institute (SERI/NREL), 1981. – 42 р.

7. Математика и САПР. Кн. 2 Вычислительные методы.Геометрические методы / [под ред. Н. Г. Волкова]. –М. : Мир, 1989. – 260 с.


Яримбаш Д. С.1, Даус Ю. В.21Канд. техн. наук, доцент, Запорізький національний технічний університет, Україна2Асистент, Запорізький національний технічний університет, УкраїнаОСОБЛИВОСТІ ІДЕНТИФІКАЦІЇ ІНТЕНСИВНОСТІ СОНЯЧНОЇ РАДІАЦІЇ ПРИ ПРОЕКТУВАННІ

СОНЯЧНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙДля оцінки енергетичного потенціалу сонячної енергії району установки сонячної електростанції запропо-

нована методика визначення енергетичного потоку сонячної радіації, заснована на комбінації методу засто-сування денного профілю надходження сонячної радіації при абсолютно чистому небі і актинометричнихданих електронної бази NASA, з подальшою ідентифікацією характеристик енергетичного потоку методамирозділення змінних та апроксимації. Методика враховує географічні координати, реальні атмосферні умови,володіє високою точністю і обчислювальної ефективністю.

Ключові слова: сонячна енергія, географічні координати, атмосферні умови, енергетичний потік, іденти-фікація.

Yarymbash D. S.1, Daus Y. V.21Cand.Tech.Sci., Associate Professor, Zaporozhye National Technical University, Ukraine2Assistant, Zaporozhye National Technical University, UkraineSOLAR RADIATION INTENSITY IDENTIFICATION FEATURES FOR SOLAR POWER STATIONS

DESIGNINGFor solar power stations designing it is proposed method of any point solar radiation energy flux calculation knowing

only its geographical coordinates based on a combination of the perfectly clear sky solar radiation daily profile applicationmodel and NASA solar radiation data base with the subsequent energy flow characteristics identification by the method ofvariables separation and approximation, that takes into account the region real atmospheric conditions providing highcalculation accuracy of the all solar radiation components and the numerical implementation efficiency.

The identification of the real atmospheric conditions adaption factor dependence on the solar power plants installationgeographical coordinates is determined on the basis of cubic spline interpolation. Therefore, it can be used to determinethe total solar radiation intensity at the designing solar installations initial stage.

Keywords: solar energy, geographical coordinates, real atmospheric conditions, energy flow, identification.

REFERENCES1. Burmistrov А. А., Vissarionov V. I., Deriugina G. V.

Metody rascheta resursov vozobnovljaemyhistochnikov energii [Renewable energy resourcescalculating methods]. Moscow: Izdatelskiy dom MEI,2009, 144 р.

2. Grishko V. I., Misyura L. I. Spravochnik po klimatuSSSR [Climate USSR Handbook. Ussue 1: UkrainianSSR. Part 1: Solar radiation, radiation balance andsunshine]. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1966, 125 р.

3. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy DataSet center: http://easweb/larc.nasa.gov/sse/.

4. Kondratev K. Ya. Luchistaya energiya solntsa [The sunradiant energy]. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1954, 600 р.

5. Ustanovki solnechnogo goryachegovodosnabzheniya. Normy proektirovaniya [Solar hotwater installation. Design standards]. Moscow,Gosgrazhdanstroy, 1988, 13 р.

6. Bird R., Hulstrom R. L. A simplified clear sky model fordirect and diffuse insolation on horizontal surfaces.[Text], SERI/TR-642-761, Solar Energy Research Institute(SERI/NREL), 1981, 42 р.

7. Volkov N. G. Matematika i SAPR. Kn. 2 Vyichislitelnyiemetodyi. Geometricheskie metodyi [Mathematics andCAD systems. Book 2 Numerical Methods. Geometricmethods], Moscow, Mir, 1989, 260 р.

79


УДК 62-82-52-03.13

Немудрый И. Ю.Аспирант, Запорожский национальный технический университет, Украина, Е-mail: [email protected]

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИВ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ С АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ

МУЛЬТИПЛИКАЦИЕЙВ статье рассмотрены направления повышения эффективности принципиально новой схемы ветроэлект-

рических установок (ВЭУ) с аэродинамической мультипликацией (АМ), обеспечивающих работу с сетью безпреобразователей частоты при переменных оборотах ветроколеса.

Показана возможность использовать высокочастотные генераторы с совмещенными обмотками дляповышения единичной мощности ВЭУ АМ свыше 1000 кВт.

Рассмотрены возможности использования в преобразователях частоты ведомых сетью инверторов (ВСИ)с преобразователями повышающего напряжения и автономных инверторов напряжения (АИН).

Для обеспечения электромагнитной совместимости с сетью приведены рекомендации по выбору схем пре-образователей частоты.

Ключевые слова: ветроэлектрическая установка, аэродинамическая мультипликация, преобразовательчастоты, ведомый сетью инвертор, автономный инвертор, эффективность, электромагнитная совмести-мость.

ВСТУПЛЕНИЕИстощение традиционных источников энергии, не-

равномерное распределение их месторождений, возра-стающая экологическая опасность вызывают необходи-мость в использовании нетрадиционных источниковэнергии, среди которых значительная доля принадлежитветроэнергетике.

Все признаки, необходимые для развития ветроэнер-гетики, присущи в Украине, обоснованный потенциалкоторой составляет 16 ГВт [1].

ОБЗОР МАТЕРИАЛОВМировая тенденция развития энергетики свидетель-

ствует о высоких темпах прироста установленных мощ-ностей ВЭУ, который в 2010 г. достиг 24 % [1]. Повыше-ние эффективности ВЭУ связано прежде всего с увели-чением единичной мощности до нескольких МВт. Самаякрупная ВЭУ в мире типа Е126 мощностью 7,5 МВт реа-лизована в 2007–2009 гг. фирмой Enerson [1, 2]. Харак-терной особенностью этой ВЭУ является отсутствиемультипликатора за счет использования тихоходногосинхронного генератора, что является существеннымшагом в конструировании ВЭУ с точки зрения повыше-ния ее КПД, надежности, уменьшения эксплуатацион-ных затрат на обслуживание.

Поскольку мощные ВЭУ работают с переменнойчастотой генераторов, то для согласования их с промыш-ленной сетью необходимы преобразователи частоты(ПЧ), в составе которых используются АИН или ВСИ,схемные решения которых определяются мощностью,уровнем напряжения, назначением и электромагнитнойсовместимостью ВЭУ с сетью [3, 4, 5]. Анализ состоянияразвития ветроэнергетики в Украине свидетельствует оналичии серьезного подхода к этой проблеме.

© Немудрый И. Ю., 2014

Отечественная фирма ДТЭК «ООО Винд Пауэр» зая-вила о широкой программе строительства ряда ВЭС сум-марной мощностью 14 ГВт. Первая очередь БотиевскаяВЭС (Запорожская обл., Украина) мощностью 90 МВтиз планируемых 200 МВт вступила в строй в 2012 г. Настанции установлены турбины типа V112-30 с мульти-пликатором и генератором, единичной мощностью3 МВт фирмы Vestas Central Europ.

В конце 2002 г. ПФГ «Конкорд» (г. Днепропетровск,Украина) приступила к созданию принципиально новойбезмультиплекторной ВЭУ типа ТГ-750, основные ре-шения которой защищены патентом Украины №49970по заявке 2000031794 от 30.03.2003 г. Дальнейшее разви-тие этой схемы получено в установках ТГ-750М иТГ-1000 [6, 7].

Сущность предложенной схемы ВЭУ заключается вустановке ветротурбин на лопастях ветроколеса (рис. 1),что обеспечивает аэродинамическую мультипликациюоборотов синхронного генератора ветротурбин и позволя-ет генерировать электроэнергию в сеть с постоянной час-тотой при переменных оборотах ветроколеса [7] без ПЧ.

Эти основные отличия ВЭУ АМ от классических схемВЭУ позволяют существенно упростить электромехани-ческую систему генерирования электроэнергии, чтоспособствует снижению ее себестоимости.

Однако такие системы имеют ряд особенностей, ко-торые снижают эффективность ее:

– колебания ротора, связанные с природой электро-магнитных колебаний синхронных генераторов;

– для работы в автономном режиме необходим ПЧ;– при работе с малыми скоростями ветрового потока

≤5 м/с снижается эффективность отбора мощности вет-рового потока [8];

– при увеличении мощности ВЭУ АМ существенновозрастает вес генераторов, работающих на частоте 50 Гц.



Таким образом, в Украине имеется значительный за-дел в создании безмультипликаторных схем ВЭУ, отра-жающих наиболее перспективное направление в созда-нии ВЭУ, что может быть использовано для производ-ства и совершенствования ВЭУАМ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫИсследование путей повышения эффективности пре-

образования энергии в электромеханической системеВЭУ АМ.

1 – лопасти ветроколеса, 2 – лопасти ветротурбины3 – генератор, 4 – гондола, 5 – башня

Рис. 1. Схема турбогенераторной установки ВЭУ АМ

Рис. 2. Обобщенная функциональная схема электромеханической системы ВЭУ

VВ1, VВ2 – скорости первичного и вторичного ветрового потока;

MВК, WВТ, MG – моменты ветроколеса, ветротурбины, генератора;

J1, J21, J22, J23 – моменты инерции ветроколеса и турбин, соответственно

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДО-ВАНИЙ

Как указывалось ранее, основным преимуществомВЭУ АМ является ее способность работать с постоян-ной частотой вращения ветрогенератора, при перемен-ной частоте вращения ветроколеса, что позволяет про-изводить подключение к сети без промежуточных ПЧ.

В работе [7] было проведено исследование зависи-мости вырабатываемой мощности ВЭУ АМ от скорос-ти ветрового потока при постоянной частоте вращенияветрогенератора. Обобщенная принципиальная схемаэлектромеханической системы представлена на рис. 2.

В результате исследований было установлено, что приработе с неизменной частотой вращения ветрогенера-тора, генерация энергии происходит во всем диапазонеизменения скоростей ветрового потока ( *ВV ).

Зависимости генерируемой относительной мощнос-ти *P в функции относительной скорости ветрового по-тока *ВV и скорости вращения генератора stω

),( stВ*

* ω= VfP представлены на рис. 3 [7] для ВЭУ АМтипа ТГ-1000.

Из анализа графиков следует, что при относительнойскорости 5,0*В ≤V отклонение расчетной генерируемоймощности от максимальной составляет 3 ÷ 10 %, что сни-жает эффективность работы ВЭУ при скоростях ветро-вого потока менее 5 ÷ 6 м/с, характерной для значитель-ной части времени для многих районов Украины. Дляповышения отбора мощности необходимо снижать обо-роты генератора. При 6,05,0xВ ÷≤V достаточно сни-зить обороты генератора в 2 раза, чтобы это отклонениебыло минимальным. Но в этом случае частота и величи-на генерируемого напряжения отличаются от частоты инапряжения сети, и для согласования требуется установ-ка ПЧ, установленная мощность которого составляет10 ÷ 20 % от номинальной.

81


Рис. 3. Зависимость относительной максимальной мощности в функции относительной скорости ветрового потока

–1 – максимальная относительная мощность *P ; –2 – *P при stω =300 об/мин; –3 – *P при stω = 400 об/мин;–4 – *P при stω =500 об/мин; –5 – *P при stω =600 об/мин;

Конструкция ВЭУ АМ предполагает установку 3-хиндукторных генераторов, работающих параллельно напромышленную сеть.

Исследования показали, что для согласования с се-тью наиболее предпочтительным ПЧ является двухзвен-ный преобразователь со звеном постоянного напряже-ния. При этом возможно использование в качестве ин-верторов как АИН, так и ВСИ. Для обеспечения нор-мальной работы инверторов необходимо поддержаниесоответствия входного напряжения в звене постоянногонапряжения Ud и сети Us.

Поскольку ВЭУ АМ имеет 3 независимых генерато-ра, то звено постоянного тока может быть обеспеченовключением 3-х выпрямителей, соединенных параллель-но или последовательно.

В установках ВЭУ ТГ-750 и ТГ-1000 используютсягенераторы на напряжение 0,4 и 0,69 кВ, соответственно,с последующим подключением их к сети высокого на-пряжения через трансформатор.

Исследования показали, что параллельное включениевыпрямителей приводит к удорожанию вспомогатель-ного ПЧ, т.к. при снижении оборотов снижается напря-жение генератора, и требуется установка повышающе-го импульсного преобразователя (ИППН) [3]. В случаеиспользования ВСИ без ИППН снижается коэффициентмощности Км до 0,4 ÷ 0,5 [9], и, соответственно, увеличи-вается вдвое установленная мощность ВСИ.

Наиболее целесообразной является схема с последо-вательным соединением мостов (рис. 4). При сниженииоборотов генератора в два раза, для получения необхо-димого напряжения Ud необходимо снижать ток возбуж-дения генератора, что в целом повышает КПД электро-

механической системы и ПЧ. Целесообразным являетсяиспользование в ПЧ ВСИ, работающего по закону:

γ−β==βΔ minconst , (1)

где βΔ – запас по времени восстановления тиристоров,асимметрии импульсов и напряжения; minβ – минималь-ный угол опережения; γ – угол коммутации.

Для реальных параметров установок ТГ-750М и ТГ-1000 при βΔ =10 эл. град, и 0,3≤γ эл. град; 2,0* =P ;

996,0cos =ϕ ; 922,0м ≈K , что незначительно отличает-ся от требуемого значения 0,93 по ГОСТ 13109-97.

По числу контакторов схема рис. 4 эквивалентна схе-ме с параллельным включением выпрямителей [9], ноимеет меньший расход активных материалов, а инверторимеет вдвое меньшую установленную мощность ВСИ.

Для работы ВЭУ АМ в автономном режиме необхо-димо использование ПЧ с АИН. Наиболее рациональ-ной была признана схема с трехуровневым инвертороми преобразователем ИППН [10, 11].

В обоих случаях использования ПЧ для обеспеченияработоспособности ВЭУ АМ необходимо обеспечитьпостоянство оборотов генератора.

Отдельно необходимо остановиться на вопросе по-вышения мощности ВЭУ АМ.

Ранее было сказано о возможности непосредствен-ной работы ВЭУ АМ на сеть 50 Гц. Однако с увеличени-ем мощности увеличивается вес генераторов, что вызы-вает определенные трудности в обеспечении механичес-кой прочности лопастей и устранении колебаний рото-ра и, соответственно, мощности.



Проблему снижения массы индукторного генерато-ра возможно решить увеличением частоты генератораи использованием совмещенных обмоток возбужденияи статора. В [12] было показано, что повышение частотыдо 125 Гц позволяет снизить активную массу генератораСГИ-350-0,69 примерно вдвое при повышении КПД на3,7 %. Использование ПЧ для согласования генератора ссетью с КПД 0,98 ÷ 0,99 позволяет в целом увеличить КПДВЭУ АМ на 1,6 ÷ 2,7 %.

Помимо повышения частоты, снижение массы ин-дукторного генератора возможно с использованием кас-кадных индукторных машин с совмещенными обмотка-ми, а также синхронных генераторов с постояннымимагнитами.

Таким образом, даже использование генераторовповышенной частоты практически без увеличения весагенератора позволяет получить мощность ВЭУ АМ впределах 2000 кВт с более высоким КПД, чем генерато-рами на промышленной частоте. Дальнейшее повыше-ние частоты до 400 Гц позволяет реализовать единич-ную мощность ВЭУ до 5–6 МВт.

Рис. 4. Схема ПЧ с последовательным соединением выпрямителей и ВСИ

Не менее важным является вопрос о выборе типаинвертора для мощной ВЭУ АМ.

Как правило, ВЭУ входят в состав ВЭС, которые под-ключаются к высоковольтной ЛЭП напряжением110 ÷ 350 (750) кВ, обладающих высокой зарядной емкос-тью. Для компенсации этой емкости используются не-управляемые шунтирующие реакторы (ШР) мощностью100180 МВАр и управляемые шунтирующие реакторы(УШР) мощностью 25 МВАр [13]. Наличие ШР и УШРиграют решающую роль в компенсации зарядной мощ-ности ЛЭП, снижении перенапряжений и токов подпит-ки при однофазных к.з. [13].

Наличие зарядной емкости в высоковольтной ЛЭПдаже при отсутствии генерации реактивной мощноститребует установки УШР, установленная мощность кото-рых в зависимости от проектной мощности ЛЭП состав-ляет 19 ÷ 35 %. При мощности ЛЭП 200 МВт установлен-ная мощность УШР составляет 3875 МВАр, т. е. 2–3 УШРна каждые 25 МВАр [13]. В этом случае использованиеПЧ с ВСИ является отличной альтернативой ПЧ с АИНпо следующим причинам:

83


– по принципу работы ВСИ является источником ре-активной мощности, что позволяет исключить или су-щественно уменьшить мощность УШР;

– ВСИ имеет существенно меньшую себестоимость,отработанные технические решения, мощную производ-ственную и элементную базу в Украине.

Поскольку последовательное соединение выпрями-телей позволяет получить напряжение в звене постоян-ного тока на уровне 2,5 ÷ 3 кВ, это позволяет разместитьосновное оборудование в башне ВЭУ, что существенноснижает вес оборудования, установленного в гондоле.

Наличие высокого напряжения Ud позволяет реали-зовать многофазные (12, 18, 24) схемы инвертирования,используя относительно низкие классы тиристоров (до20). Выбор фазности схемы в зависимости от парамет-ров сети и ВЭУ определяется из соотношения [14]

12ин −

π=

kks

dнnmUS

PК , (2)

где Кин – коэффициент искажения напряжения; Рdн,Sks – номинальная мощность ВЭУ и мощность к.з. систе-мы; Uk – напряжение к.з. согласующего трансформатора.

Расчет показывает, что для ВЭУ АМ мощностью 2000кВт возможно использовать 12-фазный инвертор приподключении к сети 35 кВ с Рks=1000 МВА и Uk=10 %. ДляВЭУ 3000 кВт и указанных условий необходим 18-фаз-ный инвертор, для большей мощности – 24-фазный. Приэтом Кин<0,4 будет находиться в пределах требуемых поГОСт 13190-97.

Для реализации автономного режима работы целе-сообразно использовать ПЧ с АИН. На рис. 5 представ-

1 – индукторный генератор; 2 – выпрямитель; 3 – ИППН; 4, 5 – трехуровневый инвертор; 6 – согласующий трансформатор.

Рис. 5. Упрощенная электрическая схема ПЧ ВЭУ АМ типа ТГ-1000



лена схема ПЧ с трехуровневым инвертором для ВЭУАМ типа ТГ-1000 [11]. В данной схеме использовано па-раллельное включение выпрямителей с ИППН и два тре-хуровневых инвертора, выполненных на IGBT – модулях17 класса.

В состав ПЧ входят 3 ИППН, позволяющих обеспе-чить соответствие входного напряжения инвертора се-тевому.

Наличие ИППН вызывает определенные требованияк внутреннему сопротивлению цепей от генератора доИППН, которое определяется из его регулировочной ха-рактеристики:

*э

2* RKKUd ⋅−= , (3)

где г/* EUU dd = ; K=1/1–Kc; Rэ= Rэ/ Rнагр; Rнагр=Ed0/Iн;Ud , Eг, Ed0 – напряжения в звене постоянного тока, ЭДСгенератора и ЭДС инвертора соответственно; Kc – коэф-фициент скважности; Rэ – эквивалентное сопротивлениецепи генератор – ИППН; Rнагр – сопротивление нагрузкиВЭУ АМ; Iн – номинальный ток инвертора.

Из (3) следует, что максимальное напряжение *dUопределяется соотношением:

*эmax 4/1* RUd = (4)

при коэффициенте скважности Kc max=1–2R*.Наличие ИППН также необходимо и в случае исполь-

зования ВСИ, в котором он выполняет следующие фун-кции:

– поддержание величины Ud0, обеспечивающей ра-боту ВСИ с minβ , в том числе и при колебаниях напряже-ния сети;

– возможность изменения величины генерируемойреактивной мощности для компенсации зарядной мощ-ности ЛЭП.

ВЫВОДЫРассмотренные в статье технические решения пока-

зывают возможность существенного повышения эффек-тивности преобразования энергии, а также возможностьповышения единичной мощности ВЭУ АМ.

Показано, что использование вспомогательных пре-образователей частоты мощностью до 20 % от номи-нальной позволяет существенно повысить выработкуэлектроэнергии на 3 ÷ 10 % при скорости ветрового по-тока ≤ 5 м/с.

Установлено, что использование многофазных ВСИпозволяет существенно снизить себестоимость мощныхветроэлектростанций, подключаемых к линии электро-передачи высокого напряжения более 100 кВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Нойбергер Н Состояние и перспективы развития вет-

роэнергетики / Н. Нойбергер, О. Нолле, Г. Г. Пивняк// Электротехнические и компьютерные системы. –2010. – №3 (79). – С. 362–364.

2. Molly P. Status der Winderner gienutrung inDeutschland – Stand 31.12.2010

3. Schreiber D. Power Electronics for wind mill application/ Schreiber D. // Wind power. –Asia. – 2007. – С. 15–16.

4. Application Manuel Power Modules // SemikronInternational – 2009.

5. Цгоев Р. С. Сравнение режимных возможностей вет-роэнергетических установок / Цгоев Р. С. // Электро-техника. – 2007. – №12. – С. 32–38.

6. Голубенко Н. С. Тенденции развития ветроэнергети-ки и безмультипликаторные ветровые установки / [Го-лубенко Н. С., Довгалюк С. М., Фельдман А. М., Цы-ганов В. А.] // Материалы IV международной конфе-ренции [«Нетрадиционная энергетика ХХІ века»]. –Крым, Гурзуф. – 2003. – С. 68–74.

7. Голубенко Н. С. Аэродинамические особенностибезмультипликаторной турбогенераторной схемыветроэнергетической установки большой мощнос-ти / Голубенко Н. С. // Материалы IV международ-ной конференции [«Нетрадиционная энергетикаХХІ века»]. – Крым, Гурзуф. – 2003. – С. 125–132.

8. Голубенко Н. С. Моделирование электромеханичес-кой системы ВЕУ с аэродинамической мультипли-кацией в режиме стабилизации скорости ветротур-бин / [Голубенко Н. С., Алексеевский Д. Г., Андри-енко П. Д., Немудрый И. Ю.] // Электротехника иэлектроэнергетика. – 2011. – № 1. – С. 70–74.

9. Андриенко П. Д. Повышение эффективности ветро-энергетической установки ТГ-750 / Андриенко П. Д.,Немудрый И. Ю., Метельский В. П., Никонова А. Л./ Вестник СевНТУ «Механика, энергетика, эколо-гия». – 2011. – Вып. 119. – С. 109–112.

10. Андриенко П. Д. Схема преобразования энергии вветроэнергетических установках с аэродинамичес-кой мультипликацией / Андриенко П. Д., Метельс-кий В. П., Немудрый И. Ю. // «Электромеханичес-кие и энергосберегающий системы». – Тематичес-кий выпуск «Проблемы автоматизированного элек-тропривода. Теория и практика». – 2012. – № 3 (15). –С. 612–614.

11. Андриенко П. Д. Реализация автономного режимаработы ветроэнергетической установки типа ТГ-1000/ Андриенко П. Д., Кражан В. С., Немудрый И. Ю.,Шавелкин А. А. // Вісник національного технічногоуніверситету ХПІ. – Харків НТУ ХПІ. – 2000. –№ 28. – С. 343.

85


12. Андриенко П.Д. Использование высокочастотных ге-нераторов для повышения мощности ВЭУ с аэроди-намической мультипликацией / Андриенко П.Д., Ме-тельский В.П., Немудрый И.Ю. // Электромеханичес-кие и компьютерные системы. – 2013. – №10 (86). –С. 45–49.

13. Дементьев Ю. А. Применение управляемых стати-ческих компенсирующих устройств в электрических

сетях / Дементьев Ю. А., Кочкин В. И., Мельников А. Г.// Электричество. – 2003. – № 9. – С. 2–10.

14. Шипилло В. П. Влияние тиристорного электропри-вода на питающую сеть / Шипилло В.П. // Электро-техническая промышленность. Серия «Электропри-вод». – 1970. – Вып 1. – С. 17–21.


Немудрий І. Ю.Аспірант, Запорізький національний технічний університет, Україна ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ В ВІТРОЕЛЕКТРИЧНИХ

УСТАНОВКАХ З АЕРОДИНАМІЧНОЮ МУЛЬТИПЛІКАЦІЄЮВ статті розглянуті напрями підвищення ефективності принципово нової схеми вітроелектричних уста-

новок (ВЕУ) з аеродинамічною мультиплікацією (АМ), що забезпечують роботу з мережею без перетворювачівчастоти при змінних обертах вітроколеса.

Для підвищення одиничної потужності ВЕУ АМ більш ніж 1000 кВт можливе використання високочас-тотних генераторів з суміщеними обмотками.

Розглянуті можливості використання в перетворювачах частоти інверторів керованих мережею (КМІ) зперетворювачами підвищення напруги ф автономних інверторів.

Для забезпечення електромагнітної сумісності з мережею наведені рекомендації по вибору схем перетво-рювачів частоти.

Ключові слова: вітроелектрична установка, аеродинамічна мультиплікація, перетворювач частоти, інвер-тор керований мережею, автономний інвертор, ефективність, електромагнітна сумісність.

Nemudry I. Y.Postgraduate, Zaporozhzhie National Technical University, UkraineIMPROVEMENT OF THE ENERGY CONVERSION EFFICIENCY IN WIND POWER EQUIPMENT WITH

AN AERODYNAMIC ANIMATIONIn the article the directions of the efficiency increase of the fundamentally new scheme of wind power equipment with

an aerodynamic animation (WPE AAS) are reviewed, this scheme provides operation with network without frequencyconverters at variable speed wind turbine.

On simulation models, the dependences of the energy produced at different speeds of wind turbines depending on thespeed of the wind flow are given.

It is shown that the use of auxiliary frequency converters with power up to 20 % of nominal allows to increaseelectricity production by 3 % to 10 % at the speed of the wind flow ≤5 m/S and by reducing the speed of the wind turbinein 2 times.

High efficiency is provided by series connection of the rectifier and the adjustment of excitation current of thegenerator.

For increasing the unit capacity of wind turbines WPE Aa to more than 1000 kW it is possible to use high-frequencyinductor generators with a combined windings.

It is shown that the frequency of the generator 125 Hz approximately twice reduced the weight of the generator whensaving power. The complex generator – FC provides increased efficiency by 1,6 % and 2,7 %.

The possibilities of inverters slave network (ISN) use in frequency converter with boost converters of voltage andstandalone inverters are presented.

The developed recommendations on determination of the Converter parameters increase tension and requirementsfor internal resistance of the generator and power cables.

It is established that the use of multiphase ISN can significantly reduce the cost of powerful wind farms connected tothe transmission line high voltage over 100 kV by reducing the installed power of shunt reactors.

To ensure electromagnetic compatibility with the network the guidance on the choice of schemes of multiphasefrequency converters with ISN is given.

Keywords: wind power equipment, a wind animation, frequency converter, slave network inverter, standalone inverter,efficiency, electromagnetic compatibility.



REFERENCES1. Noyberher N., Nolle O., Pyvnyak H. H. Sostoyanye y

perspektyvi razvytyya vetroэnerhetyky,Elektrotekhnycheskye y kompyuternie systemi, 2010,No. 3 (79), pp. 362–364.

2. Molly P. Status der Winderner gienutrung inDeutschland – Stand 31.12.2010

3. Schreiber D. Power Electronics for wind mill application,Wind power. Asia, 2007, pp. 15–16

4. Application Manuel Power Modules, SemikronInternational, 2009.

5. Tshoev R. S. Sravnenye rezhymnikh vozmozhnosteyvetroenerhetycheskykh ustanovok, Elektrotekhnyka,2007, No. 12, pp. 32–38.

6. Holubenko N. S., Dovhalyuk S. M., Feldman A. M.,Tsihanov V. A. Tendentsyy razvytyya vetroenerhetykyy bezmultyplykatornie vetrovie ustanovky, MateryaliIV mezhdunarodnoy konferentsyy [«Netradytsyonnayaenerhetyka XXI veka»], Krim, Hurzuf, 2003, pp. 68–74.

7. Holubenko N.S. Aerodynamycheskye osobennostybezmultyplykatornoy turboheneratornoy skhemivetroenerhetycheskoy ustanovky bolshoymoshchnosty, Materyali IV mezhdunarodnoykonferentsyy [«Netradytsyonnaya enerhetyka XXIveka»], Krim, Hurzuf, 2003, pp. 125–132.

8. Holubenko N. S., Alekseevskyy D. H., Andryenko P. D.,Nemudriy Y. Yu. Modelyrovanyeelektromekhanycheskoy systemi VEU saerodynamycheskoy multyplykatsyey v rezhymestabylyzatsyy skorosty vetroturbyn, Elektrotekhnykay elektroenerhetyka, 2011, No. 1, pp.70–74

9. Andryenko P. D., Nemudriy Y. Yu., Metelskyy V. P.,Nykonova A. L. Povishenye effektyvnostyvetroenerhetycheskoy ustanovky TH-750, VestnykSevNTU «Mekhanyka, enerhetyka, ekolohyya», 2011,vep. 119, pp. 109–112.

10. Andryenko P. D., Metelskyy V. P., Nemudriy Y. Yu.Skhema preobrazovanyya enerhyy vvetroenerhetycheskykh ustanovkakh saerodynamycheskoy multyplykatsyey,«Elektromekhanycheskye y enerhosberehayushchyysystemi», Tematycheskyy vipusk «Problemiavtomatyzyrovannoho elektropryvoda. Teoryya ypraktyka», 2012, No. 3 (15), pp. 612–614.

11. Andryenko P. D., Krazhan V. S., Nemudry Y. Yu.,Shavelkyn A. A. Realyzatsyya avtonomnoho rezhymarabotш vetroуnerhetycheskoy ustanovky typa TH-1000, Visnyk natsionalnoho tekhnichnohouniversytetu KhPI. Kharkiv NTU KhPI, 2000, No. 28,pp. 343.

12. Andryenko P. D., Metelskyy V. P., Nemudrшy Y. Yu.Yspolzovanye vшsokochastotnшkh heneratorov dlyapovшshenyya moshchnosty VЭU saуrodynamycheskoy multyplykatsyey,Elektromekhanycheskye y kompyuternыe systemi,2013, No. 10 (86), pp. 45–49.

13. Dementev Yu. A., Kochkyn V. Y., Me’nykov A. H.Prymenenye upravlyaemikh statycheskykhkompensyruyushchykh ustroystv v elektrycheskykhsetyakh, Elektrychestvo, 2003, No. 9, pp. 2–10.

14. Shypyllo V. P. Vlyyanye tyrystornoho уlektropryvodana pytayushchuyu set, Elektrotekhnycheskayapromishlennost. Seryya «Elektropryvod»,1970, vip 1,pp. 17–21.

87

ДО ВІДОМА АВТОРІВЖурнал «Електротехніка та електроенергетика» призна-

чений для публікації найбільш значимих наукових і практич-них результатів досліджень учених вищих навчальних закладіві наукових організацій.

Журнал включений у перелік наукових видань України,у яких можуть публікуватися результати дисертаційних робітна здобуття вчених ступенів доктора і кандидата технічнихнаук і фізико-математичних наук (радіофізика).

Статті, що опубліковано в журналі, реферуються в рефе-ративних журналах і базах даних ВІНІТІ (Росія) і «Джерело»(Україна). Журнал міститься у міжнародній базі наукових ви-дань Index Copernicus (http://journals.indexcopernicus.com/index.php). Інтернет-сторінка журналу:http://journal.zntu.edu.ua/ric/index.php?page=index.

Журнал видається двічі на рік і розповсюджується за Катало-гом періодичних видань України (передплатний індекс – 22914).

Для розгляду питання про публікацію статті до редакціїжурналу необхідно вислати поштою або представити особис-то наступне:

1) рукопис (роздруківку) статті, підписаний на останнійсторінці всіма авторами, в двох примірниках;

2) відомості про авторів (українською, російською, анг-лійською мовами);

3) оригінал експертного висновку про можливість відкри-того опублікування статті;

4) супровідний лист-клопотання з організації, де була ви-конана робота (або лист автора);

5) рецензію від фахівця в даній галузі з вченим ступенем док-тора наук. Підпис рецензента обов’язково мусить бути завірений.

6) диск з наступними файлами:– електронна версія статті, повністю ідентична роз- друківці;– відомості про авторів;– рисунки у графічному форматі .tif.

Файли з матеріалами статті можна надіслати електронноюпоштою або передати особисто на оптичному диску або USB-накопичувачі.

Вимоги до оформлення статті. Приймаються статті,набрані в редакторі Microsoft Word.

Параметри сторінки:– розмір паперу – А4 (210х297);– орієнтація – книжкова;– шрифт – Times New Roman, розмір – 12 pt;– міжрядковий інтервал – полуторний;– верхнє поле – 20 мм, нижнє – 20 мм, ліве – 25 мм,

праве – 15 мм.Сторінки рукопису повинні бути пронумеровані. Не до-

пускаються розбіжності рукопису з електронною версієюстатті. Текст рукопису не повинен мати рукописних виправ-лень та позначок.

Послідовність розміщення матеріалу статті:1) індекс УДК;2) прізвища й ініціали авторів, назва статті, анотація й клю-

чові слова мовою статті;3) текст статті;4) список літератури;5) прізвища й ініціали авторів, назва статті, анотація й клю-

чові слова російською мовою (якщо мова статті – українська)або українською (якщо мова статті – російська);

6) прізвища й ініціали авторів, назва статті, анотація й клю-чові слова англійською мовою;

7) транслітерований список літератури.Анотації повинні бути інформативними, змістовними

(відбивати основний зміст статті та результати досліджень) таструктурованими (відбивати логіку опису результатів у статті.Рекомендований обсяг україномовної та російськомовноїанотації приблизно 50 слів, англомовної –100–150 слів (ви-моги науково-метричної бази SCOPUS).

Ключові слова наводяться в називному відмінку укількості до десяти слів.

Текст статті. Приймаються статті російською, українсь-кою та англійською мовами. Розмір статті до 0,5 авторськогоаркуша. У статті слід уникати зайвої деталізації, проміжнихформул і висновків; не слід наводити відомі факти, повторюва-ти зміст таблиць і ілюстрацій у тексті. Стаття не повинна матиграматичних або інших помилок, а також повинна відповідатитематиці журналу й вимогам щодо фахових видань.

Структура тексту статті мусить містити такі необхідні еле-менти: постановка проблеми в загальному виді і її зв’язок зважливими науковими або практичними завданнями; аналіз ос-танніх досліджень і публікацій, у яких розпочато розв’язанняданої проблеми, і на які опирається автор; виділення нероз-в’язаних раніше частин загальної проблеми, яким присвячуєть-ся стаття; формулювання цілей статті (постановка завдання);виклад основного матеріалу дослідження з повним обґрунту-ванням отриманих наукових результатів, висновки по даномудослідженню й перспективи подальших досліджень у даномунапрямку. Матеріал публікації мусить бути розбитий напідрозділи не більше двох рівнів.

Рисунки розміщуються в тексті й додатково додаються вокремих файлах (формат .tif з роздільною здатністю 150–300 dpi,чорно-білі або у градаціях сірого). Розмір рисунків не повиненперевищувати ширини сторінки (17 см) або ширини колонки(8 см). Написи на рисунках бажано виконувати шрифтом TimesNew Roman, розмір 10. Рисунки нумерують і підписують унизу.

Формули виконуються за допомогою вбудованого в Wordредактора Microsoft Equation. Формули нумерують у круг-лих дужках праворуч. Формули великого розміру запису-ються в кілька рядків.

Нумерація рисунків, формул і таблиць наскрізна однорівнева.Список літератури наприкінці статті подається мовою

оригіналу і складається в порядку згадування посилань утексті й відповідно до діючого стандарту на бібліографічнийопис. Посилання на літературу в тексті нумеруються послідов-но й позначаються цифрою у квадратних дужках.

Транслітерований список літератури, відповідно довимог науково-метричної бази SCOPUS, є повним аналогомсписка літератури і виконується на основі транслітерації мовиоригіналу латиницею.

Посилання на англомовні джерела не транслітеруються.Транслітерація української мови латиницею виконується наоснові Постанови КМУ №55 від 27 січня 2010 р., російської –на основі ГОСТ 7.79-2000 (ISO 9-95). Приклади транслітераціїрозміщені на сайті журналу.

У відомостях про авторів необхідно навести:1) прізвище, ім’я, по батькові (повністю);2) учений ступінь;3) посаду;4) місце роботи;5) електронну адресу;6) робочий, домашній, мобільний телефони.Статті, які не відповідають зазначеним вимогам, не прий-

маються до розгляду.Всі статті проходять закрите рецензування і в разі потре-

би можуть бути повернуті автору на доробку. Редакція зали-шає за собою право на літературну редакцію тексту статті безповідомлення автору.

Рукописи й диски не вертаються, коректура та відбиткистатей авторам не надсилаються.

Адреса редакції: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського,64, ЗНТУ, редакція журналу

Тел. (061) 7-698-2-96 – редакційно-видавничий відділ. E-mail: [email protected]

Наукове видання

Електротехніка та електроенергетика №1/2014

науковий журнал

Головний редактор д-р техн. наук Орловський І. А. Заст. гол. редактора канд. техн. наук Тиховод С. М.

Оригінал-макет підготовлено у редакційно-видавничому відділі ЗНТУ

Комп’ютерна верстка Зуб С. В.Редактор англійських текстів Войтенко С. В.

Підписано до друку 10.06.2014. Формат 60×84/8. Ум. др. арк. 10,23.Тираж 300 прим. Зам. № 652.

69063 м. Запоріжжя, ЗНТУ, друкарня, вул. Жуковського, 64

Свідоцтво суб’єкта видавничої справиДК № 2394 від 27.12.2005.

Свідоцтво про державну реєстраціюКВ № 6905 від 29.01.2003.

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА ТА...

Documents