Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ПАРАЛЛЕЛЬНО РАБОТАЮЩИМИ АГРЕГАТАМИ

Астапович Ю.М. 1 Митяшин Н.П. 1 Билюков Р.А. 1 Калистратов Н.А. 1
1 ФГБОУ ВПО “Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.”
В работе рассматривается проблема распределения нагрузки между параллельно работающими агрегатами. Предложена общая для систем из различных предметных областей методика автоматического управления потоками энергоресурсов, основанная на измерении текущего распределения нагрузки, расчета требуемого распределения и последующего вычислении в реальном масштабе времени уставок регулирования. Методика рассмотрена на примере полупроводникового преобразователя частоты, собираемого по схеме “управляемое звено постоянного тока – параллельно включенные автономные инверторы с различными номинальными мощностями”. Рассматривается также применение методики к распределению потоков в линиях цеха низко-температурной сепарации газоконденсатной смеси, включаемых параллельно между первичным источником и магистральным трубопроводном очищенного газа. Достоинства метода – возможность осуществлять заданное распределение потоков ресурса в реальном масштабе времени и применимость для систем разной физической природы.
низкотемпературная сепарация газа
потоки
заданное распределение
преобразователь частоты
регулятор
автоматическое управление
ресурсы
1. А.с 896724 СССР, МКИ Н 02 М 5/27, Н 02 М5/515. Групповой преобразователь частоты / И. И. Кантер, Н. П. Митяшин, И. И. Артюхов и др. // Открытия. Изобретения. – 1982. – №12.
2. Гвоздев, Б. П. Добыча, подготовка и транспорт природного газа и конденсата / Б. П. Гвоздев, А. П. Подкопаев, И. Т. Балыбердина. – М.: Недра, 1984. – 288 с.
3. Коздоба, Д. А. Электрическое моделирование явлений тепло и массопереноса / Д. А. Коздоба. – М.: Энергия, 1972. – 296 с.
4. Костышин В. С. Моделирование режимов работы центробежных насосов на основе электрогидравлической аналогии / В. С. Костышин. – Ивано-Франковск, 2000. – 163 с.
5. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. С. Д. Лизунова, А. К. Лоханина. – М.: Энергоиздат, 2004. – 616 с.

Введение

В ряде технических систем применяется параллельные включения агрегатов, работающих на общую нагрузку. Целью такого включения чаще всего является необходимость увеличение производительности оборудования. Наиболее известным примером такого рода является параллельная работа трансформаторов [1].

Основной проблемой, возникающей в подобных технических ситуациях, является неравномерная нагрузка параллельно включенных агрегатов. Это связанно, как правило, с наличием так называемых “паразитных” параметров агрегатов, которые в обычном одиночном включении не проявляют себя. Обычно эти параметры в формально идентичных устройствах сильно отличаются и при параллельном включении вызывают разбаланс в работу агрегатов.

Для трансформаторов существуют правила их подбора для параллельного включения, соблюдения которых обеспечивает их равномерную нагрузку. Для других видов оборудования такие условия не сформулированы. Это связанно со значительно более редкими, по сравнению с трансформаторами, параллельными подключениями другого рода агрегатов. Тем не менее, представляет интерес исследования параллельного включения агрегатов и выборка общих условий, обеспечивающих равномерную загрузку формально идентичных единиц оборудования. В настоящей работе обсуждается один из способов решения этой задачи.

Цель исследования

Разработка методики получения заданного распределения потоков ресурса в реальном масштабе времени в системах разной физической природы.

Выбор и обоснование метода

В настоящее время применяется способ обеспечения равномерного распределения нагрузки, который можно назвать статическим. Смысл этого способа состоит в соблюдении условий равновесия агрегатов, обеспечивающих равномерное распределение. Так, для параллельной работы трансформаторов необходимо и достаточно соблюсти следующие условия [5]. Параллельная работа трансформаторов допускается, если: группы соединения обмоток трансформаторов одинаковы; одинаковы напряжения как первичных, так и вторичных обмоток, т. е. коэффициенты трансформации равны или различаются не более чем на ± 0,5 %; напряжения короткого замыкания (КЗ) отличаются не более чем на ± 10 %; произведена фазировка трансформаторов.

Как видно, эти условия обеспечиваются подбором трансформаторов и способом их включения. Эти действия проводятся единовременно, вне времени работы агрегатов, а управление в реальном масштабе времени невозможно.

Другим примером может служить параллельное или последовательное включение полупроводниковых или вакуумных вентелей. Для этих приборов условием правильного распределения нагрузки является совпадение их статических и динамических характеристик с заданной точностью.

В некоторых случаях для балансировки используются буферные элементы, например, малые активные сопротивления в цепях постоянного тока или реактивные элементы (конденсаторы или индуктивности) в цепях переменного тока. Однако это сопряжено с потерями энергии в первом случае и с увеличением нескомпенсированной реактивной мощности во втором.

Наиболее благоприятная ситуация для организации управления процессом распределения нагрузки возникает тогда, когда сами агрегаты содержат управляющие элементы, основное предназначение которых не связано непосредственно с решаемой в данной работе проблемой. При этом вознивает возможность использования этих элементов для решения выполняемой задачи – перераспределение потоков энергии или других ресурсов между каналами их передачи.

Такими агрегатами являются, в частности, полупроводниковые преобразователи частоты, собираемые по схеме “управляемое звено постоянного тока – автономный инвертор”. Другим примером является линии низко-температурной сепарации газоконденсатной смеси, включаемые параллельно между первичным источником и магистральным трубопроводном очищенного газа [2]. В каждом из этих случаев возможно предложить автоматическую систему распределения потоков передаваемых ресурсов (в первом случае – энергии, во втором – газа) между паралелльными “нитками”. В каждом из этих примеров управление распределением может осуществиться в процессе функционнирования оборудования в динамическом режиме.

Преимущество такого способа очевидны: возможность осуществить управление в реальном масштабе времени без остановки основного технологического процесса, отсутствие дополнительных затрат на исполнительные элементы управления, возможность адаптивной реакции системы на изменение условий функционирования оборудования.

Другое преимущество такого управления состоит в возможности реализации не только равномерного распределения, но и любого заданного распределения.

Рассмотрим простой алгоритм такого автоматического распределения. Пусть имеется n агрегатов, включенных паралелльно на общую нагрузку. Удобно считать, что этими агрегатами являются источники электропитания, а распределяемым ресурсом является электрический ток. Пусть, кроме того, ток каждого источника является монотонной функцией некоторой управляющей величины, т.е.:

(1)

Здесь – ток к-го алгоритма, – соответствующая управляющая величина, – монотонная функция.

Заданное распределение токов определим положительными параметрами , так что:

; (2)

При этом в установившемся режиме должно выполняться для любых других токов и условие:

(3)

Иными словами, мы определим пропорции между токами агрегатов, т.е. задали распределение нагрузки между ними.

Реализовать такое распределение теперь можно следующим образом. Снабдим каждый агрегат регулятором, который для определенности будем считать пропорциональным, т. е:

где – управляющая переменная j-го регулятора, – коэффициент усилия регулятора, – входящая величина регулятора.

Считая для определенности функцию из (1) монотонно убывающей, положим:

(4)

Здесь установка j-го регулятора высчитывается следующим образом:

(5)

где:

(6)

Таким образом, установка регулятора изменяется с изменением общего тока нагрузки. Этот прием делает систему распределения гибкой, не зависящей от режима работы системы, во всем диапазоне от холостого хода до любых неаварийных перегрузок.

По указанному принципу работает устройство [1], в котором группа преобразователей работает на общую нагрузку. Задача устройства – обеспечить равномерную загрузку преобразователей. В отличие от этого авторами проведены исследования системы заданного, в общем случае неравномерного, распределения токов между тремя инверторами тока, работающими на общую нагрузку и питающимися от общего источника постоянного тока (рис. 1).

KOMPAS -- Фрагмент1 

Рис. 1. Система заданного распределения нагрузки между преобразователями

Система работает следующим образом. Выпрямленное напряжение питающей сети через управляемые ключи К1,К2,Кn, осуществляющих широтно-импульсное регулирование (ШИР) средних значении напряжений подаваемых на входы инверторов И1,И2,Иn через Г-образные LC-фильтры. Токи Id1,Id2,Idn , потребляемые инверторами, измеряются датчиками D1,D2, Dn, а также складываются на сумматоре и подаются на вход умножителей γ1, γ2, γn, которые вырабатывают уставки системы распределения токов в соответствии с формулой (5). Далее ошибки распределения поступают на ПИД-регуляторыР1,Р2,Рn, которые вырабатывают длительности замкнутого состояния ключей на периоде ШИР. Таким образом, осуществляется заданное соотношение между потребляемыми инверторами токами. В силу высокой чувствительности потребляемых инверторами токов к изменению напряжений на их входах средние значения этих напряжений близки по величине, что означает, что распределение мощности между инверторами практически осуществляется в той же пропорции, что и распределение токов.

Рассмотрим другой пример применения предлагаемого способа – линии низко-температурной сепарации (НТС) газоконденсатной смеси. В данном случае предлагается регулировать распределение потоков между отдельными линиями сепарации установки НТС при помощи П-регулятора с задаваемыми коэффициентами распределения. Такое распределение нагрузок целесообразно, в частности, при необходимости достичь максимальной производительности процесса при различных параметрах ниток.

Рис.2. Система низко-температурной сепарации газоконденсатной смеси

Для примера рассмотрим установку с двумя линиями сепарации (рис. 2). Каждая линия состоит из четырех сепараторов (С11-С24) , осуществляющих выделение жидкости из потока газа, емкостей, в которые эта жидкость поступает (Е11-Е24) и затем попадает далее в трубопровод, регулирующих клапанов (К1 и К2), расходомеров (Р1и Р2), датчиков входного (Д0) и выходного давления (ДК), а также соединительных труб.

На входе системы поддерживается давление в заданном диапазоне. Выходное давление также колеблется относительно известной величины. Параметры сепараторов и труб (гидравлическое сопротивление) считаются постоянными.

При работе системы газ проходит через три первых сепаратора, а затем через управляющий клапан. Регулированием положения клапана на каждой из линий достигается установление заданной пропорции распределения потока газа для каждой линии. Регулирование предлагается осуществлять системой управления, отслеживающей изменения входного и выходного давления и регулирующей состояния клапанов для достижения заданного соотношения потоков на линиях согласно описанному выше общему алгоритму.

Для проверки эффективности предлагаемого метода были проведены компьютерные исследования математических моделей рассмотренных систем. Моделирование распределения потоков в системе НТС проводилось с применением гидро-электрической аналогии [3,4]. Проведенные компьютерные исследования показали работоспособность предлагаемого метода, возможность получения требуемых точности распределения и качества переходных процессов.

Заключение

Предложен общий метод организации системы автоматического распределения нагрузки между агрегатами, работающими на общую нагрузку. Рассмотрены примеры применения метода для заданного деления мощности между несколькими силовыми преобразователями и потоков газоконденсатной смеси между технологическими нитками. Научная и практическая новизна работы состоит в возможности осуществлять заданное распределение потоков ресурса в реальном масштабе времени и применимость для систем разной физической природы.

Рецензенты:

Байбурин Вил Бариевич доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой «Информационная безопасность автоматизированных систем» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А., г. Саратов.

Иващенко Владимир Андреевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов.


Библиографическая ссылка

Астапович Ю.М., Митяшин Н.П., Билюков Р.А., Калистратов Н.А. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ПАРАЛЛЕЛЬНО РАБОТАЮЩИМИ АГРЕГАТАМИ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8571 (дата обращения: 16.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074