Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Все статьи: 761
Математические модели определения потоков мощности и энергии в питающих электрических сетях
Краткое сообщение
Рассмотрены две математические модели расчета потоков мощности и энергии при заданных в узлах разнородных нагрузках в виде функций времени на отрезке [О, Т]. Модели дают возможность определения потоков электрической энергии в элементах схемы питающей сети при детерминированных и вероятностных режимных данных.
Бесплатно
Статья научная
Матричные преобразователи частоты на полностью управляемых ключах переменного тока являются одним из перспективных решений в сфере экономии энергии и развития электропривода переменного тока. Возможность рекуперативного торможения позволяет расширить сферу применения частотных преобразователей и улучшить их эксплуатационные характеристики. В работе использованы общие положения теории цепей, методы математического и численного моделирования, линейная алгебра, теория нелинейных и дискретных систем управления и теория цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования в данной работе является метод математического моделирования. При обработке результатов исследований широко применялось современное программное обеспечение. Произведен полный математический анализ силовой схемы матричного преобразователя частоты вместе с вычислением коммутационных циклов (алгоритма коммутации) как для низкого коэффициента передачи напряжения (0,5), так и для максимального коэффициента передачи напряжения (0,866). Рассмотрена работа преобразователя частоты матричного типа, представляющего собой комбинацию виртуального активного выпрямителя и виртуального автономного инвертора напряжения с непосредственным управлением по методу пространственно-векторной модуляции. Разработаны имитационные модели такой системы и представлены результаты моделирования в среде MATLAB/Simulink. Представленные результаты исследований показывают, что высокие качественные показатели электропривода с матричным преобразователем частоты, несомненно, открывают для него широкие перспективы. Данный вид преобразователей может с успехом найти применение в машинах двойного питания для ветрогенераторов, на производственных линиях в стальном производстве, на погрузочно-разгрузочных устройствах, лифтах, подъемниках, в стендах обкатки двигателей внутреннего сгорания, а из-за меньших массогабаритных показателей матричный преобразователь частоты может найти применение в тех областях промышленности, где размер и вес преобразователя имеют жизненное значение, а ограничение величины выходного тока некритично, как например в аэро- и космической промышленности. Однако несмотря на все свои преимущества над схемами обычных преобразователей частоты, схемы матричных преобразователей пока не нашли широкого применения ввиду большого количества полупроводниковых приборов и сложных алгоритмов управления.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время одной из главных задач современной энергетики является задача освоения шельфовых месторождений углеводородов. Для освоения месторождений углеводородов используются технические средства, состоящие из плавучих буровых установок (ПБУ) и буровых судов, ледоколов, судов снабжения, транспортных судов (танкеров и газовозов), подводных перекачивающих комплексов (ППК). Для разработки высоковольтных электроприводов с преобразователями частоты технических средств освоения шельфа выполняется комплекс исследований с использованием математических и имитационных моделей, причем точность расчета и характеристики конечного изделия определяются качеством выполнения моделирования. Достижение высоких показателей адекватности моделирования и точности расчета возможно обеспечить только с использованием уточненных математических моделей. С ростом объемов работ по проектированию электротехнических комплексов нефтегазовых технологических систем растет актуальность математического и имитационного моделирования электроприводов и исследования их характеристик методом компьютерного моделирования. В работе показан алгоритм составления имитационных моделей трехуровневых автономных инверторов электроприводов, который включает в себя анализ структурной схемы электропривода, принятие допущений, составление эквивалентной схемы электропривода, математического описания электропривода, синтеза алгоритма модуляции и составления имитационных моделей. Выполненные исследования показывают влияние параметров сопротивления и индуктивности моторных дросселей на качество выходного напряжения автономного инвертора. Также исследовано влияние частоты коммутации автономного инвертора на искажения выходного напряжения и тока. Дополнительно даны рекомендации по выбору моторных дросселей.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются вопросы разработки математической модели взаимосвязанных клетей непрерывной подгруппы черновой группы широкополосного стана горячей прокатки. Обоснована задача исследования повторных динамических процессов, возникающих в электромеханических системах вертикальных валков универсальной клети при захвате полосы валками последовательно расположенной горизонтальной клети. Отмечено, что динамический момент в данном режиме может превышать установившийся момент прокатки в 2-2,5 раза. Основной причиной возникновения повторных ударных нагрузок является несогласованность скорости выхода полосы из валков вертикальной клети и линейной скорости валков горизонтальной клети. С целью исследования передачи кинетической энергии на вал двигателя предыдущей клети обоснована целесообразность разработки уточненной математической модели очага деформации. Предложено разработать данную модель на основе уравнения закона сохранения энергии при прокатке. Представлена структурная схема математической модели взаимосвязанных элект¬роприводов вертикальных и горизонтальных валков трехклетевой прокатной группы стана 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Представлены аналитические выражения для расчета мощности, подводимой к очагу деформации со стороны приводного двигателя валков, мощности, подводимой за счет переднего натяжения (подпора) и заднего подпора (натяжения), мощности, затрачиваемой на формоизменение проката и мощности трения скольжения. Для этого исследовано поведение металла в очаге деформации, представлены математические выражения изменения элементарных скоростей точек на поверхностях входного и выходного сечений. Приведены зависимости скольжения металла относительно валков и мощностей трения скольжения для зон опережения и отставания, полученные с учетом изменения сечения обрабатываемого металла и его сопротивления деформации. На основе полученных выражений построена структурная схема модели очага деформации. Представлены аналитические и операторные выражения для моделирования сил натяжения и подпора и структура модели, описывающей упругие свойства полосы в межклетевом промежутке. Приведена структура математической модели системы регулирования скорости электропривода, основанная на известных уравнениях якорной цепи двигателя постоянного тока. В результате сравнения переходных процессов координат электроприводов и параметров прокатки, полученных при моделировании и путем осциллографирования на стане, подтверждена адекватность разработанной модели исследуемому объекту. Представленная математическая модель рекомендуется для исследования силового взаимодействия электромеханических систем прокатного стана, а также исследования динамических режимов, возникающих при захвате полосы валками горизонтальных и вертикальных клетей.
Бесплатно
Статья научная
Исследования повторных динамических процессов, возникающих в электромеханических системах вертикальных валков универсальных клетей прокатных станов при захвате полосы валками последовательно расположенных горизонтальных клетей, предложено выполнить с помощью математической модели, рассмотренной в части 1 данной статьи. В результате анализа осциллограмм переходных процессов токов и скоростей электроприводов горизонтальных и вертикальных валков универсальной клети № 4 широкополосного стана 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат (ОАО «ММК») определены причины, вызывающие недопустимые динамические нагрузки. Основной причиной является несогласованность скорости выхода полосы из вертикальных валков и линейной скорости вращения горизонтальных валков. Представлены результаты математического моделирования данного динамического режима при начальных условиях, соответствующих реальным процессам на стане. С целью обобщения результатов выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных, полученных при прокатке более 90 полос различного сортамента. Установлена зависимость (близкая к линейной) отклонений тока электропривода вертикальных валков от относительного рассогласования линейных скоростей вертикальных и горизонтальных валков. На основании этого, с целью ограничения динамических нагрузок, обосновано формирование пропорционального управляющего воздействия на скорость электропривода горизонтальных валков. Показано, что на соотношение линейных скоростей значительное влияние оказывает статическая ошибка регулирования, возникающая в электроприводе с пропорциональным регулятором скорости. Представлены способы и технические решения, обеспечивающие ограничение динамических нагрузок за счет согласования скоростей валков универсальной клети и компенсации ошибки регулирования скорости за счет ее увеличения перед захватом либо непосредственно в момент захвата полосы.
Бесплатно
Статья научная
Дана характеристика взаимосвязанных электромеханических систем непрерывной подгруппы клетей широкополосного стана горячей прокатки (ШСГП). Отмечены особенности взаимодействия вертикальных и горизонтальных валков универсальной клети, приводящие к возникновению повторного переходного процесса в электромеханических системах вертикальных валков при захвате полосы горизонтальными валками. Обоснована необходимость разработки способов управления электроприводами универсальной клети, обеспечивающих ограничение их динамических токов в данном переходном режиме. Предложен концептуальный подход, согласно которому осуществляется ограничение динамических нагрузок за счет последовательного согласования скорости выхода полосы из валков предыдущей клети и линейной скорости валков последующей клети с передачей регулирующего воздействия по ходу прокатки. Рассмотрен способ управления скоростными режимами электроприводов непрерывной подгруппы ШСГП, обеспечивающий реализацию данного подхода. Предложен способ компенсации статической ошибки регулирования скорости и динамического момента электродвигателя последующей клети, возникающего при захвате полосы, путем быстродействующего астатического регулирования скорости электропривода предыдущей клети. Представлены результаты исследования названных способов методом математического моделирования с использованием разработанной математической модели взаимосвязанных клетей непрерывной подгруппы черновой группы ШСГП. Подтверждено, что предложенный способ управления скоростными режимами обеспечивает установку наиболее точного соотношения скоростей валков перед захватом полосы. В результате сопоставления переходных процессов в существующей системе управления электроприводами и в системе, реализующей разработанные способы, подтверждены снижение динамического тока двигателя вертикальных валков до уровня 10 % и практически полное отсутствие подпора со стороны горизонтальных валков при совместной прокатке. Даны рекомендации по промышленному внедрению разработанных технических решений.
Бесплатно
Математическое моделирование гибридной ветро-солнечной станции для электроснабжения собственных нужд
Статья научная
В статье представлено математическое моделирование гибридной энергетической установки (ГЭУ), работающей на возобновляемых источниках энергии. В состав ГЭУ входит ветровой модуль, солнечный модуль, система накопления электроэнергии. Предполагается использование ГЭУ для электроснабжения собственных нужд ботанического сада, описан принцип работы станции. Проведен анализ ежемесячных данных средней инсоляции и средних значений скорости ветра в Оренбургской области. Для расчетов использован реальный график нагрузок ботанического сада. Анализ выполнен на основе данных по солнечной инсоляции и скорости ветра за последние 20 лет. Выявлено, что наибольшая генерация солнечной электроэнергии в течение года происходит в период с июня по июль, а наибольшая генерация ветровой электроэнергии в течение года происходит в период с января по март. Суммарная генерация позволяет обеспечивать собственные нужды ботанического сада электроэнергией в любой месяц, кроме октября и ноября. Излишняя же электроэнергия, вырабатываемая летом, может использоваться для производства водорода, использующийся в качестве топлива для водородного топливного элемента или хранения его в накопителях.
Бесплатно
Математическое моделирование течения среды в сложных многоканальных системах
Краткое сообщение
Приводится модель расчета течения среды в сложной многоканальной системе последовательно-параллельных каналов произвольной заданной структуры с автоматизированным отображением структуры системы, которая может быть использована для моделирования процессов в энергетических установках.
Бесплатно
Математическое моделирование эксплуатационной скважины в процессе оптимизации нефтедобычи
Краткое сообщение
Рассматриваются вопросы математического моделирования системы «нефтяной пласт - скважина - насос» на различных режимах её работы, включая режим оптимизации нефтедобычи. Большое внимание уделено технологии моделирования, определено место модели в процессе лабораторно-отработочных и эксплуатационных испытаний автоматизированной системы нефтедобычи, а также в реальных условиях эксплуатации.
Бесплатно
Математическое описание вентильного индукторного генератора с конденсаторным возбуждением
Статья научная
На волне развития транспортных средств на электрической тяге сильный толчок получило и развитие автономных энергетических установок. К новым техническим решениям относится представленная энергетическая установка на базе индукторной машины с новым принципом возбуждения фазных обмоток. В основу его заложена такая особенность подобных электрических машин, как возможность обеспечения трапецеидальной формы фазных ЭДС, что позволяет осуществлять коммутацию и возбуждение фазных обмоток в естественном режиме без необходимости отслеживания и коммутации фазных токов в зависимости от положения ротора, за счет коммутации конденсаторов неработающей фазы. Такое решение позволяет значительно упростить и снизить стоимость электронной аппаратуры управления вентильного индукторного генератора. В силу новизны конструкции рассматриваемое техническое решение не было исследовано ни зарубежными, ни отечественным учеными. В данной статье осуществлено математическое описание работы и разработана математическая модель вентильного индукторного генератора с конденсаторным возбуждением, которая позволяет вычислять токи и ЭДС как в электрической машине, так и во внешней электрической схеме, а также величину крутящего момента. В статье представлены результаты расчетов и экспериментальных исследований разработанного генератора, совпадение которых в достаточной мере подтверждает адекватность модели. Разработанная модель позволяет наглядно исследовать электромагнитные процессы, работоспособность и функционирование системы в различных режимах при разнообразных внешних воздействиях, отрабатывать алгоритмы управления и оценивать энергетические показатели генератора, а также может служить основой для создания методики проектирования и создания новых установок.
Бесплатно
Статья научная
Предложено математическое описание трехуровневого преобразователя частоты с фиксированной нейтралью (3У-ПЧ с ФН) на базе активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения (АВН и АИН), которое позволяет исследовать электромагнитные процессы и анализировать электромагнитную совместимость в системе «питающая сеть - 3У ПЧ с ФН на базе АВН и АИН - нагрузка» с учетом дискретного характера формирования выходных напряжений АВН и АИН. В отличие от известных математических моделей 3У-ПЧ с ФН на базе АВН и АИН, основанных на принципе разделений электрической системы на подсистемы, разработанная в данной статье модель позволяет получить удобную структурную схему для синтеза системы управления. Разработанная структурная схема 3У ПЧ на базе АВН и АИН оказалась аналогична известным структурным схемам двухуровневого преобразователя частоты при пренебрежении эффекта разбаланса напряжений в звене постоянного тока, идеальной синхронизации и линеаризации коммутационных функций. Дополнительно при линеаризации была рассмотрена только область вокруг номинального значения напряжения звена постоянного тока.
Бесплатно
Статья научная
Метод анализа динамических свойств дискретных систем управления с помощью нелинейных разностных уравнений лежит в основе получения коэффициентов линейного приближения разностных уравнений. Рассматривается математический аппарат практического исследования динамических свойств.
Бесплатно
Метод и программное обеспечение для оценивания состояния параметров режима энергорайона
Статья научная
Предложен метод решения задачи оценивания состояния параметров режима энергорайона. Данный метод позволяет решить задачу оценивания состояния для расчетной схемы, включающей в себя магистральные и распределительные сети, в том числе сети промышленных предприятий. Данный метод показывает адекватные результаты при недостаточном объеме телеинформации. Помимо телеизмерений, данный метод позволяет задавать ограничения на любые параметры режима, что существенно повышает качество получаемых результатов. Предлагаемый метод реализован в составе программного комплекса ПРРЭС, который работает совместно с ПВК АНАРЭС. Представлены результаты внедрения на промышленном предприятии, входящем в состав Госкорпорации «Росатом». Помимо решения задачи оценивания состояния текущего режима, предлагаемый подход может использоваться для формирования перспективных режимов для задач перспективного планирования.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается четырехпроводная трехфазная распределительная электрическая сеть (РЭС) напряжением 0,4 кВ, в которой выполняется контроль энергопотребления автоматизированной системой учета. Предполагается, что в РЭС на каждом межабонентском участке сопротивления фазных проводов равны и отличаются от нейтрального, причем их значения неизвестны, а системой учета выполняются измерения действующих напряжений, тока и угла сдвига фаз между ними у всех абонентов и в начале РЭС. Решается задача идентификации значений и места отвода токов утечки вследствие воздействия на РЭС несанкционированных отборов электроэнергии. Проведен анализ предложенного ранее метода, использующего приращения напряжений фазного (линейного) провода для моделированного возмущенного и желаемого состояния РЭС. Показаны его недостатки и представлен новый метод решения указанной задачи, основанный на оперативном расчете и анализе параметров (комплексных сопротивлений) распределительной сети и их токов. При этом предложен алгоритм для расчета параметров сети, для которого необходимы данные двух разных режимов работы РЭС. Получены математические выражения, реализующие предлагаемый метод, проверенные вычислительными экспериментами. Полученные результаты могут быть полезны при разработке систем учета и мониторинга нетехнических потерь электроэнергии в распределительных сетях.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается новый подход при обработке результатов активного эксперимента по определению статических характеристик комплексной нагрузки (СХН) по напряжению в узле энергосистемы. Проблема заключается в том, что во время проведения активного эксперимента, как правило, изменяется состав потребителей и искомая СХН, при этом количество возможных ступеней регулирования напряжения ограничивается режимными параметрами и факторами электробезопасности эксперимента, что значительно осложняет процедуру идентификации реальной СХН. В работе рассматривается возможность применения методов оптимизации при решении указанной проблемы. Для проверки предложенного метода проведен эксперимент на лабораторной установке и на его примере показана работоспособность модифицированного метода определения СХН.
Бесплатно
Статья научная
На примере ретроспективных статистических данных о потоке отказов кабельных линий 6 (10) кВ городских электрических сетей по Нефтекамску и Челябинску показана необходимость оценки значимости влияния не только режимных параметров, но и проектных и эксплуатационных факторов, принятых обслуживающим персоналом. Предложены метод оценки значимости данных факторов, алгоритм подготовки и сбора ретроспективных данных для проведения статистического анализа. Метод реализован с применением дисперсионного анализа, целью которого является исследование различий для рассматриваемых групп факторов. По результатам исследования и апробации метода были определены вероятные значимые сопутствующие к режимным параметрам факторы, влияющие на ресурс, например, связанные с глубиной и траекторией прокладки кабеля, а также местоположением кабеля в структуре схемы фидера в распределительной городской кабельной сети.
Бесплатно
Метод прогнозирования электропотребления бытовыми потребителями в условиях Республики Таджикистан
Статья научная
По данным динамики электропотребления и состояния городских электрических сетей городов Республики Таджикистан по потерям электроэнергии, а также структурам электропотребления по группам, принятым в Республике Таджикистан, проведен анализ. Предлагается метод прогнозирования электропотребления и определения средней мощности в часы максимума нагрузок для бытовых потребителей с учётом условий местности Республики Таджикистан. Для выведения уравнения прогнозирования электропотребления предложен коэффициент времени максимума нагрузок - α(в.м.н), зависящий от территориального расположения и климатометеорологических условий местности Республики Таджикистан, имеющий различные значения, соответствующие условиям местности. Апробация предложенного метода прогнозирования электропотребления проведена для одного фидера подстанций «Восточная - 10/35/6 кВ» г. Душанбе. Установлена зависимость влияния территориального расположения и климатометеорологических условий местности городов Республики Таджикистан на режимы работы городской электрической сети, в частности, в узлах 0,4 кВ.
Бесплатно
Метод распределения потерь в сети между потребителями
Краткое сообщение
Предлагается метод разделения нагрузочных потерь электроэнергии в сетях распределительных компаний между субъектами рынка, пользующимися услугами по передаче, и собственными потребителями, основанный на определении коэффициентов токораспределения в R-схеме.
Бесплатно
Статья научная
Предложена методика расчета электромагнитного момента асинхронного двигателя через тензор напряжения Максвелла для задач конечно-элементного моделирования. Результаты расчетов сравниваются с известным методом косвенного определения момента АД.
Бесплатно
Метод расчёта течения газа в каналах газоструйных систем
Статья научная
В энергетических установках различного типа рабочее тело движется в каналах различных формы, размеров и назначения. Во многих практически важных случаях установки включают в себя систему каналов со слиянием и разделением потоков. Обычно большую часть времени установки работают в стационарном режиме, однако в некоторых системах рабочие процессы протекают за малые промежутки времени и сопровождаются большими изменениями скорости, давления и температуры как по длине канала, так и во времени.Математическая модель таких каналов включает в себя нестационарные уравнения в частных производных, описывающие законы сохранения массы, импульса и энергии. Для решения системы уравнений широко применяется метод конечных разностей. Данная краевая задача является нелинейной, поэтому для ее решения применяются численные методы.В работе предложен численный метод расчёта процессов гидродинамики и теплообмена в каналах энергетических установок со слиянием и разделением потоков на основе метода конечных разностей и алгоритма ортогональной прогонки решения краевой задачи.Разработанный алгоритм обладает высокой вычислительной эффективностью и позволяет рассчитывать высокоинтенсивные режимы работы канала как со сжимаемым, так и с несжимаемым рабочим телом, с теплообменом со стенками канала или в адиабатических условиях работы. Численный метод позволяет рассчитывать процессы как в отдельных каналах, так и в системе каналов в рамках единого подхода.
Бесплатно
