CC BY
144
УДК 621.314: 681.586.69 Р. Халымийн
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
В статье рассмотрены вопросы моделирования электрических сетей с использованием прикладных программ. Приведены схема и результаты моделирования. Показана динамика при изменении параметров схемы и значений емкости компенсатора. Предложена модель компенсирующего устройства с расчетными параметрами.
Ключевые слова: моделирование электрических схем, компенсирующее устройство, параметры сети.
R. Khalymyin MATHEMATICAL MODELING IN THE PROCESS OF REACTIVE POWER COMPENSATOR DEVELOPMENT
The issues of electric network modeling with the applied program use are considered in the article. The scheme and results of the modeling are given. Dynamics after change of the scheme parameters and compensator capacity volumes is shown. The compensator model with calculation parameters is offered.
Key words: power scheme modeling, compensator, network parameters.
Возросшая интенсивность взаимных возмущающих влияний параллельно работающих нагрузок, а также достижения в технологии мощных тиристоров и транзисторов, привели к бурному развитию исследований в области создания компенсирующих устройств [1]. При разработке новых схем таких компенсирующих устройств постоянно приходится проводить анализ их рабочих характеристик. Это могут быть и очень простые задачи (например, анализ работоспособности узлов компенсирующих устройств), и весьма сложные (например, анализ силового компенсирующего устройства при условии воздействия на него внешних возмущений). Ранее для решения таких задач применялись методы физического моделирования. В настоящее время наиболее распространенный инструмент, применяемый для этих целей, - математическое моделирование. Сегодня созданы пакеты прикладных программ, позволяющие исследователю сравнительно быстро проводить анализ работы электронных схем на персональном компьютере.
Одной из первых программ такого рода был симулятор электронных схем SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанный в начале 70-х годов прошлого века в Калифорнийском университете. Первая коммерческая версия программы PSpice для IBM PC, в которую был внесен ряд улучшений и дополнений, была создана в 1984 г. корпорацией Micro-Sim. Важным направлением применения данной программы является анализ мощных импульсных схем, которые приобретают все большее распространение с появлением силовых транзисторов (MOSFET и IGBT). Такой анализ возможен только с помощью компьютерного моделирования, точность которого определяется достоверностью математических моделей входящих элементов [2].
Программа PSpice стала мировым стандартом в области моделирования электронных схем. Принятые в ней принципы описания математических моделей используются многими аналогичными программами, такими, как Micro-Cap V, Electronics Workbench, Design Center, CircuitMaker, Multisim и тому подобными, а формат входного языка SPICE поддерживается большинством пакетов САПР типа OrCAD, PCAD, ACCEL EdA, TangoPRO и др.
Достаточно широко известна мощная и универсальная система моделирования электронных схем Electronics Workbench канадской фирмы Interactive Image Technologies Ltd., базирующаяся на SPICE. В системе используется многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню. Функции и назначения отдельных элементов, окон и опций аналогичны их назначению в Windows. Инструментальные средства Electronics Workbench очень похожи на реальные инструментальные средства электроники.
Система схемотехнического проектирования и анализа электронных схем и устройств Electronics Workbench позволяет выполнять графический ввод проектируемой схемы и анализ характеристик аналоговых, цифровых и аналого-цифровых устройств. В отличие от других программ схемотехнического моделирования в системе Electronics Workbench на экране изображаются измерительные приборы с органами управления, максимально приближенными к реальности. Пользователь освобождается от изучения довольно абстрактных правил составления заданий на моделирование исследуемой схемы, как это необходимо для программы PSpice. Достаточно к анализируемой схеме подключить двухканальный осциллограф и генератор сигналов и программа сама определит, какие процессы надо подвергнуть анализу, а на устройствах индикации будут зафиксированы исследуемые режимы.
Отметим, что в версиях Electronics Workbench, начиная с 5.0 и выше, встроены внутренние модели не только MOSFET, но и IGBT транзисторов. Простота работы с пакетом делает систему Electronics Workbench хорошим инструментом для проведения компьютерного эксперимента с виртуальным силовым компенсирующим устройством [2].
Существует достаточное число прикладных программ (Electronics Workbench, Multisim, Orcad, Protel DXP и т.д.), позволяющих с достаточной точностью осуществить моделирование работы отдельных узлов компенсирующего устройства, а в некоторых случаях и всей системы в целом. Было проведено программное моделирование нескольких типов компенсирующих устрйств с учетом работы отдельных блоков. В качестве пакета прикладных программ была выбрана программа моделирования Mulmisim 10.1, позволяющая выполнять графический ввод проектируемой схемы и анализ характеристик аналоговых и цифровых устройств.
При моделировании компенсирующего устрйства, обеспечивающего компенсацию реактивной мощности нагрузки, необходимо учитывать подверженность влиянию нелинейной нагрузке промышленных предприятий. Компенсирующее устройство должно удовлетворять такие требования, как высокая добротность, сниженные массогабаритные показатели и эксплуатация устройства без обслуживающего персонала [2].
В качестве прототипа на основании анализа существующих устройств был выбран компенсатор мощности [3]. Компенсатор реактивной мощности содержит трехфазный измерительный трансформатор напряжения, нагрузку, три однофазных датчика напряжения, трехфазный мостовой выпрямитель, три первых элемента сравнения, емкостный фильтр, усилители с регулируемым коэффициентом усиления, вторые элементы сравнения, задатчик напряжения на нагрузке, задатчик настройки компенсирующего напряжения, три идентичных блока регулирования, каждый из которых содержит однофазный выпрямитель, два управляемых однофазных выпрямителя с системами управления, два промежуточных конденсатора с датчиками напряжения, два однофазных инвертора с системами управления, тактирующий триггер, релейный двухпозиционный регулятор, имеющий гистерезис, дифференцирующую цепочку.
Недостатками данного устройства является невысокий КПД, инерционность работы, а также некорректность формирования сигнала ошибки.
В процессе моделирования в схеме были сделаны изменения, оптимизирован блок формирования управляющего сигнала, также изменилась элементная база. В результате получилось компенсирующее устройство, структурная схема которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема подключения компенсирующего устройства
Учитывая проведенный анализ компенсации реактивной мощности при наличии компенсирующего устрйства и теоретические исследования качества электроэнергии для сетей 0,38 кВ, проведено моделирование компенсирующего устройства.
В процессе моделирования в качестве нагрузки каждой фазы была взята комплексная нагрузка, обладающая индуктивным характером. При моделировании режимов работы схемы изменяли параметры нагрузки и выходного фильтра. На рис. 2 представлены результаты моделирования без компенсирующего устройства.
Рис. 2. Результаты моделирования без компенсирующего устройства
Параметры сети при моделировании соответствуют одной из КТП в пригороде г. Улан-Батор (Монголия). Характер нагрузки является активно-индуктивный, как показали испытания параметров качества электрической энергии на промышленном предприятии (АРУ), специализирующемся на переработке сельскохозяйственной продукции. Измерения проводились на шинах 0,4 кВ трансформаторной подстанции (ТП) мощностью 1000 кВА. Большая протяженность ЛЭП сети 6 кВ, сечение провода, несоответствующее токовым нагрузкам, приводит к снижению коэффициента мощности, как в нашем случае, который составляет 0,676 [1; 4-5].
При дальнейшем моделировании изменялись параметры выходного фильтра, на регистрирующих приборах отслеживалось изменение параметров. На рис. 3 изображен график напряжения на нагрузки при включении компенсирующего устройства с выходной емкостью С=2нФ.
Рис. 3. Результаты моделирования с компенсирующим устройством (С=2нФ)
По результатам эксперимента можно сказать, что произошла частичная компенсация реактивной составляющей мощности, при этом возросли коэффициент мощности и выходная мощность.
При дальнейшем росте ёмкостного сопротивления компенсирующего устройства С=8,2нФ (рис. 4) напряжение на нагрузке продолжало повышаться вследствие разгрузки сети.
и(в> ^ ^ ; -| Ф Вгттметр-Х\Ш1 I £3
204.973 V 13.039 т |
\ А /~\ Коэффициент мо шности:
■Ц [Ц ь -і 1 1 ? 1 1 1 1 1 1 1 1 *—і 1 1 1 1 1 1— У 1(1113)
Рис. 4. Результаты моделирования с компенсирующим устройством (С=8,2нФ)
При дальнейшем моделировании были выбраны оптимальные выходные параметры С=19нФ (рис. 5), получили максимальное значение коэффициента мощности.
и(В)
Ватты етр-ШМ1 | £3 |
213.512 V 15.060 кШ Ц
\ А /А КЬзффициент мощности:
■■■■Ц [-Ц7- Р /1(413)
Рис. 5. Результаты моделирования с компенсирующим устройством (С=19нФ)
При дальнейшем увеличении емкости происходит перекомпенсация, что отрицательно влияет на параметры сети. Результаты моделирования режимов сети представлены в таблице.
Моделирование режимов сети
№ п/п Параметр фильтра ^ых, В СОЭф Pвых, кВт
1 С=0 187,018 0,676 8,932
2 С=2нФ 192,076 0,744 10,105
3 С=5нФ 199,125 0,83 11,674
4 С=8,2нФ 204,973 0,901 13,039
5 С=12нФ 209,304 0,958 14,188
6 С=18нФ 213,298 0,998 15,031
7 С=19нФ 213,512 0,999 15,060
8 С=22нФ 213,412 0,998 15,048
Результаты моделирования показали, что предложенная схема компенсирующего устройства и система формирования сигнала приемлемы для реализации как по техническим, так и по эксплуатационным показателям. Стоит отметить, что большая элементная база программ для моделирования электрических схем позволяет подбирать оптимальные элементы, согласовывать блоки, не снижая при этом быстродействие и надежность схем.
Литература
1. Третьяков А.Н., Буувэйбаатар Р., Рахмет Х. Соотношение активной и реактивной мощностей на перерабатывающем предприятии: сб. мат-лов междунар. науч.-практ. конф. (Иркутск, 25-27 марта 2008 г.) / ИрГСХА. - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2008. - Ч. 3. - С. 104-108.
2. Агунов А.В. Статический компенсатор неактивных составляющих мощности с полной компенсацией гармонических составляющих тока нагрузки // Электротехника. - 2003. - № 2. - С. 47-50.
3. Пат. 2187873. Российская Федерация Н02 J 3/18. Компенсатор реактивной мощности.
4. Влияние высших гармоник на качество электроэнергии в точке общего присоединения потребителей: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. (Иркутск, 25-27 сент. 2007 г.) / Г.С. Кудряшев, А.Н. Третьяков, ОН Шпак [и др.] // ИрГСХА. - Иркутск, 2007. - С. 181-185.
5. Третьяков А.Н., Рахмет Х. Влияние температурного режима на энергопотребление фермы КРС: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. - Иркутск: ИрГСХА, 2010. - С. 293-296.
---------♦'-----------
УДК 631.371 В.А. Кожухов, А.Ф. Семенов, Н.В. Цугленок
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ ВЫРАЩИВАНИЯ ОВОЩЕЙ В ТЕПЛИЦЕ
Разработана система регулирования технологических параметров микроклимата. Проведен анализ функциональной взаимосвязи между элементами систем управления режимом облучения растений и концентрацией диоксида углерода. С помощью программы Simulink создана модель автоматической системы управления температурным режимом теплицы с применением аккумулятора тепла.
Ключевые слова: имитационное моделирование, параметры микроклимата, функциональная взаимосвязь, нейронная сеть, аккумулятор тепла.
V.A. Kozhukhov, A.F. Semenov, N.V. Tsuglenok POWER-SAVING MODE SIMULATION FOR VEGETABLE GROWING IN A HOTHOUSE
The system for microclimate technological parameter regulation is developed. The analysis of functional interrelation between the elements of the system for plant irradiation mode management and carbon dioxide concentration is conducted. The model of automatic system for hothouse temperature condition management with accumulator heat application is made by means of the Simulink program.
Key words: simulation, microclimate parameters, functional interrelation, neural network, heat accumulator.
В настоящее время в России себестоимость овощей, выращенных в теплицах, существенно выше, чем в странах, имеющих высокий уровень сельскохозяйственного производства. Это связано с неэффективным использованием электрической и тепловой энергии в теплице, недостаточным внедрением в технологическом процессе производства овощей нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, отсутствием алгоритмов и программ, реализующих оптимизацию энергетических процессов, учитывающих биологические особенности роста растений.
Среди центральных проблем, поставленных Международной биологической программой, является повышение продукционного процесса растений и их различных сообществ. Основой энергетического подхода к проблеме является фотосинтетическая фиксация углекислого газа, в результате чего с участием воды и
