Енергетичні процеси в електричних колах з ключовими елементами

Отримані результати аналізу та оптимізації енергетичних процесів на об'єктах з вентильними перетворювачами показали високу ефективність використання розроблених нормативно-методичних, програмно-алгоритмічних, технічних засобів підвищення енергоефективності в різних типах систем електроживлення з вентильними перетворювачами. Результати дисертаційної роботи також впроваджені в навчальний процес Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" та Зеленогурської політехніки (м. Зелена Гура).

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія процесів енергообміну в колах з ключовими елементами з врахуванням складових балансу електроенергії і несинусоїдальності струмів і напруг та створення на цій основі науково обґрунтованих законів компенсації і управління енергетичними процесами, алгоритмів їх розрахунку. Отримані в дисертації результати у сукупності складають суттєвий внесок у подальший розвиток теорії процесів енергообміну в нелінійних нестаціонарних колах.

1. Обгрунтована доцільність дослідження безперервно-дискретного перетворення параметрів електроенергії в колах з ключами, що вимагає створення адекватних математичних моделей, відповідних методів аналізу енергетичних процесів та оцінки різних сторін їх протікання, підведення балансу складових електроенергії, управління енергетичними процесами.

2. Проведений аналіз властивостей миттєвих та інтегральних характеристик енергетичних процесів дозволив здійснити їх декомпозицію та показати, що при створенні нових енергетичних характеристик і показників для кіл з ключовими елементами необхідно суміщати переваги фізичної та математичної інтерпретації енергетичних процесів.

3. Здійснення формалізації процедури декомпозиції сигналів дозволило провести декомпозицію потужності Фризе (додаткових втрат електроенергії) на складові, що обумовлені різними факторами неякісності електроенергії, для однофазних та багатофазних кіл, довільного інтервалу часу та у випадку модуляції сигналів. Отримано співвідношення для деталізації та співставлення складових додаткових втрат електроенергії в колах, які можуть бути скомпенсовані різними типами компенсаторів, зокрема, лінійними та нелінійними. Це дозволило сформувати закони компенсації для складних (гібридних) компенсаторів та провести структурно-параметричний синтез лінійних компенсаторів.

4. Узагальнення поняття "обмінна потужність" для кіл з ключовими елементами дало змогу ввести нові визначення обмінних потужностей та проаналізувати фізичні процеси енергообміну між їх елементами для усталених та перехідних режимів і отримати розрахункові співвідношення для обчислення обмінних потужностей при постійній та змінній інтенсивності перетворення електромагнітної енергії.

5. Проведено співставний аналіз запропонованих та відомих енергетичних характеристик і показників ефективності процесів, що дозволило отримати спрощені оцінки окремих енергетичних характеристик та створити критерії оцінки ефективності енергетичних процесів як елементів цільової функції їх оптимізації, розрахунку фізично обґрунтованого балансу складових електроенергії та оцінки взаємного впливу елементів кола.

6. На основі декомпозиції миттєвих потужностей та виділення енергетично незмінних станів отримано нові узагальнені співвідношення для підведення балансу складових електроенергії, які відображають особливості роботи ключових елементів, фізичні процеси енергообміну та перетворення електроенергії в інші види та дозволяють усунути похибки і неточності при підведенні балансу. Виведено вирази для розрахунку складових балансу електроенергії та енергетичних функцій на основі чисельно-різницевої апроксимації та ідей методу гармонічного синтезу, що дало змогу виключити безпосереднє інтегрування та суттєво зменшили обчислювальні витрати при аналізі ефективності енергетичних процесів.

7. Запропоновано моделі оцінки електромагнітної сумісності на основі розділення еквівалентної схеми на складові, що відображають протікання активних та реактивних струмів. Розроблено алгоритм аналізу взаємного впливу елементів кола при заданих режимах роботи генераторів та ключових елементів, який дозволяє врахувати обмінні процеси, які обумовлюють неоптимальність енергетичних процесів відносно виділеного критерію оптимальності.

8. Дістав подальшого розвитку метод аналізу на основі чисельно-різницевої апроксимації рівнянь змінних стану для розрахунку усталених і перехідних режимів в колах з ключовими, нелінійними та параметричними елементами. На основі чисельно-різницевої апроксимації та ідей методу гармонічного синтезу отримані замкнені вирази енергетичних функцій, використання яких виключає безпосереднє інтегрування при оцінці ефективності енергетичних процесів.

9. Виконано співставлення способів компенсації складових потужності Фризе і обмінних потужностей в перетинах кіл з ключовими елементами, що дало можливість визначити умови, за яких компенсація складових потужності Фризе і обмінних потужностей співпадають щодо отриманих результатів компенсації чи доповнюють одна одну. Виведено залежності, на основі яких розроблено нові способи компенсації складових потужності Фризе та обмінних процесів, що дозволяє цілеспрямовано компенсувати реактивну потужність, усувати перетоки енергії, зменшувати втрати електроенергії.

10. Проведений аналіз енергетичних характеристик в колах з ключами покладений в основу розробки нормативно-методичного забезпечення для енерготехнологічного обстеження систем електроживлення, що містять кола з ключовими елементами, та відповідного програмно-алгоритмічного забезпечення аналізу енергетичних процесів, яке характеризується підвищенням (як показала практика енергетичної експертизи майже вдвічі) ефективності розрахункових схем, скороченням обчислювальних витрат (в середньому в 4-5 разів) і адаптацією до особливостей сформованих задач аналізу та оптимізації.

11. Створені нові енергетичні характеристики і показники використані при розробці способів і структурних схем вимірювачів (лічильників), які захищені авторськими свідоцтвами СРСР та можуть розглядатися як складові великих інформаційно-вимірювальних систем. Запропоновані способи компенсації складових реактивної потужності Фризе та обмінних процесів, новизна яких захищена авторськими свідоцтвами СРСР, забезпечують компенсацію спотворень струмів та напруг, спотворень струмів у багатофазних колах на основі принципу взаємокомпенсації, обмінної енергії за функцією миттєвої провідності та інтегральними характеристиками, зворотних потоків електроенергії. На основі виділення енергетично незмінних станів, аналізу та оптимізації запропонованих енергетичних характеристик, формування алгоритмів підведення балансу складових електроенергії запропоновано спосіб управління електроживленням в складних колах з ключовими елементами, новизна якого підтверджена авторським свідоцтвом СРСР.

12. На основі отриманих результатів розроблено технічні засоби, комплексні режимні та організаційні заходи підвищення енергоефективності, використання яких дозволяє проаналізувати та підвищити в середньому на 30% енергоефективність протікання процесів в системах електроживлення, які містять кола з ключовими елементами. Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при аналізі та оптимізації енергетичних процесів, проведенні енерготехнологічного обстеження в Державній інспекції з енергозбереження, підвищенні енергоефективності промислових об'єктів, які містять кола з нелінійними елементами, на підприємствах ДК "Укрбудматеріали", Геолкому України, міст Києва, Мукачева, Іркутська (Росія), Бреста (Білорусія), Бидгощ та Зелена Гура (Польща), що забезпечило значний економічний ефект від їх впровадження. Основні результати роботи впроваджені також в учбовий процес.

13. Результати дисертаційної роботи рекомендовано для використання вищезгаданим підприємствам та організаціям, а також іншим науковим і промисловим установам, які займаються аналізом та оптимізацією енергетичних процесів в системах електроживлення, що містять кола з ключовими елементами.

14. Вірогідність та обгрунтованість наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується використанням коректних методів досліджень, узгодженням розрахунків з експериментальними даними і раніше відомими з літературних джерел результатами.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Баланс энергий в электрических цепях / Тонкаль В.Е., Новосельцев А.В., Денисюк С.П., Жуйков В.Я., Стрелков М.Т., Яценко Ю.А. - К.: Наук. думка, 1992. - 312 с.

2. Вентильные преобразователи переменной структуры / Тонкаль В.Е., Руденко В.Я., Жуйков В.Я., Сучик В.Е., Денисюк С.П., Новосельцев В.А. - К.: Наук. думка, 1989. - 336 с.

3. Ковалко М.П., Денисюк С.П. Енергозбереження - пріоритетний напрямок державної політики України.- К.:Українські енциклопедичні знання, 1998. - 512с.

4. Тонкаль В.Е., Денисюк С.П., Вихарев Ю.А. Методы и средства разработки и внедрения региональных комплексных научно-технических программ энергосбережения. Ч.1 и 2 - Киев: ИПЭ НАНУ, 1995. - 304 с.

5. Енергоефективність та напрями самоенергозабезпечення реґіонів на прикладі Закарпаття / Денисюк С.П., Віхарєв Ю.О., Радиш І.П., Гололобов О.І., Машкара О.Г., Ковальов О.В. - Київ: Українські енциклопедичні знання, 2000. - 118 с.

6. Тонкаль В.Е., Новосельцев А.В., Денисюк С.П., Загурский В.Г., Руденко А.Б. Алгоритм и программные средства оптимизации вентильных преобразователей на ЭВМ//Техн. электродинамика. - 1987. - № 5. - С. 37 - 44.

7. Баланс энергии установившихся режимов цепей несинусоидального тока и напряжения/ В.Е. Тонкаль, В.Я. Жуйков, С.П. Денисюк, Ю.А. Яценко //Докл. АН УССР. Сер. А. - 1987. - № 7. - С. 71 - 74.

8. Денисюк С.П. Аналіз процесів енергообміну в системах з пристроями силової електроніки // Техн. електродинаміка. Темат. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". - 2000. - Ч. 8. - С. 15 - 18.

9. Денисюк С.П. Аналіз та оптимізація енергетичних характеристик систем з перетворювачами електричної енергії // Техн. електродинаміка. Темат. вип. "Системи електроживлення електротехнічних установок і комплексів". - 1999. - С. 129 - 134.

10. Денисюк С.П. Загальні властивості енергетичних характеристик систем з перетворювачами електромагнітної енергії // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України. Електроенергетика. - Київ: ІЕД НАНУ, 1999. - С. 46 - 59.

11. Денисюк С.П. Модели оценки электромагнитной совместимости в системах с нелинейными преобразовательными элементами // Пробл. энергосбережения. - 1994. - № 2-3. - С. 81 - 88.

12. Денисюк С.П. Оптимізація енергетичних процесів систем з перетворювачами електричної енергії // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України. Енергоефективність. - Київ: ІЕД НАНУ, 2000. - С. 3 - 12.

13. Денисюк С.П. Основні напрямки підвищення енергоефективності систем з перетворювачами електричної енергії//Экотехнологии и ресурсосбережение. Темат. вып. "Энергоэффективность и охрана окружающей среды".- 2001. - С.13- 16.

14. Денисюк С.П. Особенности построения энергетических характеристик нелинейных цепей систем электроснабжения // Пробл. энергосбережения. - Вып 6. - Киев, 1991. - С. 103 - 110.

15. Денисюк С.П. Особливості формування узагальнених структур систем із перетворювачами електроенергії // Электроника и связь. - 1999. - № 6. - Том 2. - С. 227 - 232.

16. Денисюк С.П. Расчет и оптимизация процессов в вентильных преобразователях с помощью численно-разностной аппроксимации уравнений // Техн. электродинамика. - 1989. - № 2. - С. 39 - 45.

17. Денисюк С.П. Синтез оптимальных структур систем электроснабжения с резкопеременными нелинейными нагрузками // Пробл. энергосбережения. - Вып. 8. - Киев, 1991. - С. 101 - 108.

18. Денисюк С.П. Синтез схем полупроводниковых преобразователей напряжения с заданным алгоритмом коммутации вентилей// Техн. электродинамика. - 1988. - № 6. - С. 44 - 51.

19. Денисюк С.П., Радиш І.П. Оцінка складових втрат електроенергії в системах електроживлення з нелінійними нестаціонарними перетворювачами електроенергії// Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України. Електротехніка. - Київ: ІЕД НАНУ, 1999. - С. 60 - 70.

20. Тонкаль В.Е., Жуйков В.Я., Денисюк С.П., Яценко Ю.А. Компенсация неактивных составляющих полной мощности в цепях несинусоидального тока и напряжения// Техн. электродинамика.-1989. - № 5. - С.26 - 29.

21. Новосельцев А.В., Денисюк С.П., Заболотный А.П. Исследование и моделирование динамических режимов работы частотно-регулируемого электропривода // Техн. электродинамика. - 1986. - № 3. - С. 57 - 62.

22. Тонкаль В.Е., Жуйков В.Я., Денисюк С.П., Яценко Ю.А. Определение знака реактивной мощности на основе обменных процессов/ // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1988. - №1. - С. 149 - 150.

23. Тонкаль В.Е., Жуйков В.Я., Денисюк С.П., Яценко Ю.А. Оценка энергетических процессов в нелинейных цепях на основе обменной энергии// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1988. - № 6. - С. 146 - 150.

24. Жуйков В.Я., Сучик В.Е., Денисюк С.П., Яценко Ю.А. Режим непрерывного тока дросселя в широтно-импульсном преобразователе// Электричество. - 1986. - № 12. - С. 60 - 61.

25. Тонкаль В.Е., Денисюк С.П. Информационно-методическое обеспечение электроснабжения в системах электроснабжения промышленных предприятий // Пробл. энергосбережения. - 1995. - № 2-3. - С. 3 - 7.

26. Тонкаль В.Е., Денисюк С.П. Повышение эффективности использования энергии в Украине за счет применения устройств силовой электроники // Пробл. энергосбережения. - 1996. - № 1-3. - С. 3 - 9.

27. Тонкаль В.Е., Денисюк С.П. Применение метода численно-разностной аппроксимации при построении моделей и анализе систем электроснабжения // Техн. электродинамика. - 1993. - № 2. - С. 22 - 27.

28. Тонкаль В.Е., Жуйков В.Я., Денисюк С.П. Вентильные преобразователи оптимального энергопотребления // Докл. АН УССР. Сер.А. - 1988.- № 5. - С. 71 - 74.

29. Тонкаль В.Е., Жуйков В.Я., Денисюк С.П. Компенсация перетоков энергии в цепях несинусоидального тока и напряжения // Докл. АН УССР. Сер.А. - 1988. - № 4. - С.76- 78.

30. Тонкаль В.Е., Жуйков В.Я., Денисюк С.П. Применение понятия обменной энергии для анализа энергетических процессов в системах с вентильными преобразователями// Электричество. - 1987. - № 7. - С.36 - 38.

31. Тонкаль В.Е., Новосельцев А.В., Денисюк С.П. Редукция моделей при оптимальном проектировании полупроводниковых преобразователей // Техн. электродинамика. - 1986. - № 5. - С. 19 - 26.

32. Способ компенсации обменной и реактивной мощности: А.с. 1480014 СССР, МКИ H02 J3/18/ В.Е. Тонкаль, В.Я. Жуйков, С.П. Денисюк (СССР).-№ 4139313; Заявлено 27.10.86; Опубл. 15.05.89, Бюл. № 18. - 5 с.

33. Способ регулирования электропотребления в энергосистемах с вентильными преобразователями: А.с. 1700679 СССР, МКИ H02 J3/18/ В.Е. Тонкаль, В.Я. Жуйков, С.П. Денисюк (СССР).- № 4269075; Заявлено 13.04.87; Опубл. 23.12.91, Бюл. № 47. - 9 с.

34. Устройство для измерения электрической мощности: А.с. 1401394 СССР, МКИ G01 R21/06/ В.Е. Тонкаль, В.Я. Жуйков, С.П. Денисюк, Ю.А. Яценко (СССР).- № 4112336; Заявлено 27.08.86; Опубл. 07.06.88, Бюл. № 21. - 3 с.

АНОТАЦІЇ

Денисюк С.П. Енергетичні процеси в електричних колах з ключовими елементами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.05 - теоретична електротехніка. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2001.

Дисертація присвячена розвитку теорії процесів енергообміну в колах з ключовими елементами з врахуванням складових балансу електроенергії і несинусоїдальності струмів і напруг.

На основі теоретичних досліджень проаналізовано закономірності миттєвих та інтегральних характеристик енергетичних процесів в колах несинусоїдального струму, складових додаткових втрат електроенергії в однофазних та багатофазних колах з ключовими елементами та процесів енергообміну між генераторами і навантаженнями в усталених і перехідних режимах. Запропоновано алгоритми підведення балансу складових електроенергії, що відображають реальні фізичні процеси енергообміну та перетворення електроенергії, оцінки взаємного впливу елементів кола, аналізу електромагнітних процесів на основі чисельно-різницевої апроксимації для розрахунку усталених і перехідних режимів. Створено нові способи розрахунку енергетичних характеристик та управління енергетичними процесами і здійснена їх реалізація в системах управління, компенсації та обліку. Розроблені теоретичні положення реалізовано в нормативно-методичному забезпеченні енерготехнологічного обстеження, програмно-алгоритмічному забезпеченні та технічних засобах підвищення енергоефективності, які практично використані при аналізі та оптимізації енергетичних процесів в колах з ключовими елементами.

Ключові слова: кола з ключовими елементами, процеси енергообміну, складові балансу електроенергії, несинусоїдальність сигналів.

Денисюк С.П. Энергетические процессы в электрических цепях с ключевыми элементами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.05 - теоретическая электротехника. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена развитию теории процессов энергообмена в цепях с ключевыми элементами с учетом составляющих баланса электроэнергии и несинусоидальности токов и напряжений.

Совокупность теоретических результатов исследований дала возможность разработать эффективные алгоритмы анализа электромагнитных процессов и расчета энергетических характеристик на основании численно-разностной аппроксимации уравнений переменных состояния, алгоритмы подведения баланса составляющих электроэнергии, способов компенсации и управления электропотреблением, которые отображают реальные физические процессы в цепях с ключевыми элементами.

В диссертационной работе впервые проведено сопоставление физической и математической интерпретации декомпозиции мгновенных и интегральных характеристик энергетических процессов в нелинейных нестационарных системах. Получены новые соотношения для определения в одно- и многофазных цепях составляющих мощности Фризе, которые обусловлены влиянием разных факторов некачественности электроэнергии и могут быть скомпенсированы разными типами компенсаторов.

Выполнено обобщение понятия "обменная мощность" для цепей с ключами, что дало возможность проанализировать реальные процессы энергообмена между генераторами и нагрузками, провести оценку взаимного влияния элементов этих цепей. Сформировано расширенную систему энергетических характеристик и показателей для цепей с ключевыми элементами, которые рассматриваются как элементы целевой функции при оптимизации энергетических процессов, подведении баланса составляющих электроэнергии и оценки взаимного влияния элементов этих цепей. Получены новые обобщенные соотношения для подведения баланса составляющих электроэнергии, которые отображают реальные физические процессы обмена и преобразования электроэнергии в другие виды, конкретные особенности структуры цепей и режимы работы ключевых элементов.

В диссертационной работе получил дальнейшее развитие метод анализа на основе численно-разностной аппроксимации уравнений переменных состояния для расчета установившихся и переходных режимов в цепях с ключевыми, нелинейными и параметрическими элементами.

Впервые на основе численно-разностной аппроксимации и идей метода гармонического синтеза получены свернутые выражения энергетических функций, использование которых исключает непосредственное интегрирование при оценке эффективности энергетических процессов, существенно сокращает время на вычисление энергетических функций. Автором обоснованы новые способы компенсации составляющих мощности Фризе и обменных мощностей, способ управления энергетическими процессами.

Проведенный анализ энергетических процессов в цепях с ключами дал возможность разработать эффективное нормативно-методическое, программно-алгоритмическое обеспечение и технические средства для энерготехнологического обследования, анализа энергетических процессов в системах, которые включают цепи с ключевыми элементами.

Результаты выполненных в диссертации исследований использованы при разработке структурных схем измерителей характеристик энергетических процессов, компенсаторов составляющих мощности Фризе и обменных мощностей, системы управления энергетическими процессами для достижения оптимального электропотребления, новизна которых защищена 18 авторскими свидетельствами СССР, а также регулятора уровня реактивной мощности, комплекса анализа энергетических характеристик и показателей.

На основе анализа энергетических процессов создано методики, которые зарегистрированы в Госкомэнергосбережения Украины и используются при проведении энерготехнологического обследования цепей с ключевыми элементами. Созданные нормативно-методическое, программно-алгоритмическое обеспечение и технические средства широко использованы при анализе и оптимизации энергетических процессов в конкретных цепях с ключевыми элементами в системах электропотребления, проведении энергетической экспертизы, повышении энергоэффективности промышленных обьектов с вентильными преобразователями электроэнергии.

Ключевые слова: цепи с ключевыми элементами, процессы энергообмена, составляющие баланса электроэнергии, несинусоидальность сигналов.

Denisiuk S., Energy Processes in Electric Circuits with Key Elements. Manuscript.

Thesis for acquisition of the Doctor of Science degree for speciality No 05.09.05 - Theoretic Electrical Technique. - Institute of Electrical Dynamic of Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The Thesis is devoted to the development of energy exchange processes in the circuits with the key elements, where constituent parts of the electric energy balance and harmonics are taken into account.

On the basis of theoretical studies, the patterns of instantaneous and integral characteristics of energy processes in the non-sinusoidal current circuits, constituents of additional electric energy losses in monophase and multiphase circuits with key elements and processes of energy exchange between generators and loads in transient and established regimes, have been analysed.

The algorithms have been suggested for: calculation of electric energy balance constituents, that represents real physical processes of energy exchange and conversion; assessment of circuit elements mutual influence; electromagnetic processes analysis on the basis of numerical deduction approximation for computation of transient and established regimes. The new methods have been developed for energy performances calculation and energy processes management and their implementation in the systems of control, compensation and registration has been done.

The theories developed have been used as a basis for normative and methodological documents and technical means for improving energy efficiency, which were used in practice for the analysis and optimisation of energy processes in circuits with key elements.

Key words: circuits with the key elements, energy transfer processes, constituents of electric energy transfer, non-sinus features of signals.

Размещено на Allbest.ru