Россия
Азербайджан
Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ОКСО 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям)
ББК 34 Технология металлов. Машиностроение. Приборостроение
ТБК 50 Технические науки в целом
Индукционные печи (ИП) промышленной частоты часто используются на многих промышленных предприятиях для плавки черных и цветных металлов и их сплавов, а также для перегрева их перед разливкой. Сопротивление электропечной установки имеет индуктивный характер. Полная мощность индукционной установки включает в себя активную так и реактивную составляющую, где реактивная мощность является регулируемым электрическим параметром. Во время плавки металлов изменяется активно-индуктивная нагрузка индукционной установки, а значение ее коэффициента мощности доходит до 0,3. Компенсация реактивной мощности на вводе индуктора ИП приводит к существенному уменьшению установленной мощности электропечного трансформатора регулируемого под нагрузкой, потерь электроэнергии и сечения кабельных линий. В качестве устройств поперечной компенсации обычно применяют батареи электрических конденсаторов (БК). Разработана схема и нечеткий алгоритм регулирования реактивной мощности индукционной печи промышленной частоты на основе нечеткой логики. При исследовании работы нечеткого контроллера управления компенсацией реактивной мощности ИП промышленной частоты на основе алгоритма Мамдани было получено, что нечеткий алгоритм лучше поддерживает заданную величину и направление реактивной мощности на месте подключения индуктора ИП к электропечному трансформатору. Нечеткий регулятор быстрее реагирует на изменение реактивной мощности.
системы электроснабжения, системы регулирования, нечеткая логика, реактивная мощность, функция принадлежности, индукционная печь
Индукционные печи (ИП) промышленной частоты часто используются на многих промышленных предприятиях для плавки черных и цветных металлов и их сплавов, а также для перегрева их перед разливкой [1-4]. Плавка черных и цветных металлов и их сплавов в ИП тесно связана с температурой металла. Изменение температуры или ее поддержание на одном уровне осуществляется в результате изменения напряжения на вводах индуктора ИП. Регулирование напряжения источника электроэнергии ИП осуществляется с помощью электропечного трансформатора регулируемого под нагрузкой. Ступенчатое изменение напряжения на вторичной обмотке электропечного трансформатора происходит за счет уменьшения или увеличения числа витков первичной обмотки. Полная мощность индукционной установки включает в себя активную так и реактивную составляющую, где реактивная мощность является регулируемым электрическим параметром. Это связано с тем, что сопротивление электропечной установки имеет индуктивный характер. Во время плавки металлов изменяется активно-индуктивная нагрузка индукционной установки, а значение ее коэффициента мощности доходит до 0,3. Компенсация реактивной мощности на вводе индуктора ИП приводит к существенному уменьшению установленной мощности электропечного трансформатора регулируемого под нагрузкой, потерь электроэнергии и сечения кабельных линий. В качестве устройств поперечной компенсации обычно применяют батареи электрических конденсаторов (БК), состоящих из N секций (C1-CN), которые соединяются в различных сочетаниях поперечно индуктору ИП [5-6]. Учитывая, что в реальных условиях при работе ИП изменение потребляемой мощности носит случайный характер, это может ограничивать работу регуляторов тока и компенсирующих устройств (КУ).
В данной работе предлагается структура нечеткого регулятора реактивной мощности, синтезируемого по модели на основе нечеткой логики.
Структура нечеткого регулятора
Рассматривается задача построения структурной схемы нечеткого контроллера управления компенсацией реактивной мощности ИП, устанавливающего границу мощности конденсаторов КУ или дискретное число единичных элементов батареи конденсаторов для отдельных периодов процесса плавки. Число конденсаторов будет соответствовать значению реактивной мощности, потребляемой для покрытия (компенсации) суммарной мощности высших гармонических составляющих в рассматриваемом интервале времени плавки. Необходимое число конденсаторов для каждого i-го текущего интервала может быть оценено по выражению
где 
- напряжение на вторичной обмотке печного трансформатора в i-ном интервале процесса плавки; 
- активная и реактивная мощность потребляемая ИП из сети в i-ном интервале процесса плавки; 
- электрическая емкость одного конденсатора; 
-коэффициент реактивной мощности в i-ном интервале процесса плавки; 
-коэффициент запаса 
; 
- частота переменного тока.
На рис.1 приведена структурная схема нечеткого контроллера управления компенсацией реактивной мощности ИП промышленной частоты, осуществляемого изменением числа секций КУ в каждом периоде процесса плавки.
Схема работает следующим образом. На основе информации, поступающей от датчиков тока и напряжения ВА и ВV в дискриминаторе реактивной мощности НВ образуется сигнал, пропорциональной величине реактивной мощности со знаком, определяющим характер нагрузки (индуктивный или емкостной). Далее этот сигнал поступает на первый вход нечеткого контроллера FC. На второй вход поступает производная от реактивной мощности 
. Нечеткий контроллер FC, включающего фаззификатор Ff, предназначенный для трансформации четких сигналов в нечеткие множества; блок Inf таблицы лингвистических правил, описывающих нечеткие соотношения между входными и выходными параметрами регулятора; дефаззификатор DF, где полученное нечеткое
Рис.1. Структурная схема управления ИП.
значение поступает на вход блока управления коммутаторами мощности батарей конденсаторов ВС. Первая секция конденсаторов 
постоянно подключена к индуктору ИП, а секции конденсаторов 
коммутируются соответствующими контакторами КМ. Коммутируемые секции соединены с блоками, осуществляющими разряд конденсаторов при их отключении от индуктора ИП.
Алгоритм функционирования нечеткого регулятора
Для управления компенсацией реактивной мощности ИП, выбран алгоритм Мамдани [7-11]. Построение интеллектуальной системы управления компенсацией реактивной мощности ИП осуществляется в следующей последовательности:
1) определение входов и выходов системы управления компенсацией реактивной мощности ИП; 2) задание для каждой из входных и выходных переменных функции принадлежности; 3) разработка лингвистических правил; 4) выбор и реализация алгоритма нечеткого логического вывода; 5) анализ процесса управления компенсацией реактивной мощности. Общий логический вывод выполняется по схеме, представленной на рис.2.
|
Приведение к четкости |
|
Композиция
|
|
Логический вывод |
|
Нечеткость |
Рис.2. схема логического вывода
Функции принадлежности, использованные в данной статье, были, в основном, четырёх видов: треугольные, трапецеидальные, S- и Z-образные. Параметры и формулы Функции принадлежности показаны в таблице 1.
Таблица 1. Параметры и формулы функции принадлежности
|
Функция принадлежности |
Параметры |
Формула |
|
S-образная |
a, b |
|
|
Z-образная |
b, c |
|
|
Треугольная |
a, b, c |
|
|
Трапецеидальные |
a, b1, b2, c |
|
При работе контроллера по алгоритму Мамдани для поддержания отклонения реактивной мощности в нормируемых пределах на вход нечёткого контроллера подавались: вычисленное значение реактивной мощности и производная от реактивной мощности . С выхода – снимались управляющие воздействия по переключению коммутируемой емкости либо с наращиванием, либо со снижением суммарного значения. При отсутствии соответствующей команды величина емкости не изменялась.
Все входные величины поступающих от датчиков тока и напряжения являются точными значениями, поскольку снимаются с реальных измерительных приборов, которые выдают точные значения измеряемых параметров. Далее, в самом нечетком контроллере эти величины уже преобразуются к нечётким значениям. После реализация алгоритма нечеткого логического вывода, полученные выходные переменные вновь преобразуются к точному (обычному) виду. Для работы нечёткого контроллера использовались следующие лингвистические переменные:
1. На вход нечеткого контроллера (входные переменные) поступают:
- Реактивная мощность (Q) на месте подключения индуктора ИП к электропечному трансформатору; - Динамика изменения реактивной мощности (производная реактивной мощности 
). Нечеткие значения, функции принадлежности и параметры входных лингвистических переменных показаны в таблице 2, а их графическое представление на рис. 2-3.
Таблица 2. Нечеткие значения, ФП и параметры входных лингвистических переменных.
|
Значение переменной |
Функция принадлежности |
Параметры |
|
|
Реактивная мощность |
|||
|
Очень малая |
Z-образная |
(0 0,4) |
|
|
Малая |
треугольная |
(0.01 0.045 0.9) |
|
|
Средняя |
треугольная |
(0.46 0.905 1.36) |
|
|
Большая |
треугольная |
(0.91 1.35 1.8) |
|
|
Очень большая |
S-образная |
(1.4 1.76) |
|
|
Динамика |
|||
|
Очень отрицательное |
Z-образная |
(- 0.8 -0.5) |
|
|
отрицательное |
треугольная |
(-1 -0.5 0) |
|
|
Нулевое |
треугольная |
(-0,5 0 0.5) |
|
|
Положительное |
треугольная |
(0 0.5 1) |
|
|
Очень положительное |
S-образная |
( 0.5 0.8 ) |
|
Рис.2. Нечеткие значения переменной " Реактивная мощность"
Рис.3. Нечеткие значения переменной "Динамика"
2. С выхода контроллера поступает значение лингвистической переменной (выходная переменная) - Направление следующего переключения секции конденсаторной батареи (табл. 3 и рис .5).
Таблица 3. Нечеткие значения, ФП и параметры выходных лингвистических переменных.
|
Значение переменной |
Функция принадлежности |
Параметры |
|
Направление |
||
|
Вверх |
трапецеидальная |
(0.5 0.75 1.25 1.5) |
|
Вниз |
трапецеидальная |
(-1.5-1.25-0.75-0.5) |
|
Стоп |
трапецеидальная |
(-0.5-0.25 0.25 0.5) |
Рис.4. Нечеткие значения переменной "Направление"
В процессе работы были опробованы различные варианты работы контроллера. По выше приведенным переменным было составлено 25 правил нечеткого вывода для данной системы. Лингвистическая таблица правил приведена на таблице. Символы в обозначениях термов означают:
ОМ- очень малая; М- малая; С- средняя; Б- большая; ОБ- очень большая; ОО- очень отрицательное; О- отрицательное; Н- нулевое; П- положительное; ОП- очень положительное; ВС- включить секцию; ОС- отключить секцию; СТ- стоп.
Лингвистическая таблица правил
|
Q dQ |
ОМ |
М |
C |
Б |
ОБ |
|
ОО |
CT |
CT |
ОС |
ОС |
ОС |
|
О |
СТ |
OC |
OС |
OС |
OС |
|
Н |
ВС |
ВС |
ВС |
ВС |
ВС |
|
П |
ВС |
ВС |
ВС |
ВС |
ВС |
|
ОП |
ВС |
ВС |
ВС |
ВС |
ВС |
Результаты компьютерного моделирования
Моделирование режимов работы ИП с учетом нечеткого регулирования потребляемой реактивной мощности выполнено на примере индукционной печи типа ИЧТ-2,5/1000 промышленной частоты, с номинальной емкостью 2,5т, питающим напряжением 6-10 кВ, номинальным напряжением контурной цепи 495 В и со скоростью расплавления и перегрева 0.33т/ч. Потребляемая мощность ИП 990 кВА, а мощность питающего печного трансформатора составляет 1000 кВА. Время нагрева и плавления составляет 35 мин и определяется по формуле 
, где 
- средняя полезная мощность, кВт; G- масса заготовки, кг [2].
Расчетные эксперименты проведены в среде Matlab c использованием программного комплекса Fuzzy Loqic Toolbox[14-15].
На рисунке 5 показан график изменения реактивной мощности на нагрузке, а также приведены кривые, соответствующие обычному (традиционному «четкому») регулированию реактивной мощности (синяя кривая) и нечеткому регулированию (кривая красного цвета). При работе нечеткого (fuzzu) и классического, четкого (crisp) регуляторов видно, что при выходе реактивной мощности за зону нечувствительности (200 кВАр) происходит срабатывание регуляторов. Но нечеткий контроллер реагирует на изменение реактивной мощности быстрее. В процессе работы ИП регулятор «подстраивается» в зависимости от текущего положения секций конденсаторной батареи.
Рис.5. Кривые изменения реактивной мощности до и после управления.
Можно утверждать, что компенсирующие устройства на основе нечеткой логики более предпочтительны для компенсации реактивной мощности на месте подключения индуктора ИП к электропечному трансформатору, по сравнению с компенсирующими устройствами на основе четкой логики. Компенсация реактивной мощности получается более качественным.
Выводы
Разработана схема и нечеткий алгоритм регулирования реактивной мощности на месте подключения индуктора ИП к электропечному трансформатору с использованием нечеткой логики. При исследовании работы нечеткого контроллера управления компенсацией реактивной мощности ИП промышленной частоты на основе алгоритма Мамдани было получено, что нечеткий алгоритм лучше поддерживает заданную величину и направление реактивной мощности на месте подключения индуктора ИП к электропечному трансформатору. Нечеткий регулятор быстрее реагирует на изменение реактивной мощности.
1. Электротермическое оборудование. Справочник. Под общ. ред. А.П. Альтгаузена. М.: Энергия, 1980. 416 с.
2. Слухоцкий А.Е. Установки индукционного нагрева. Л. Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981. 330 с.
3. Соколов М.М., Гасевич В.Н. Электрооборудование механизмов электротермических установок. М.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.
4. Алиферов А.Н. и др. Электротермические процессы и установки. Красноярск, 2007. 360 с.
5. Ильяшов В.П. Автоматическое регулирование мощности конденсаторных установок. М. Энергия-2-е издание. 1979. 105 с.
6. Копырин В., Ткачук А. Контроллер управления компенсацией реактивной мощности индукционной печи промышленной частоты // Силовая Электроника. 2005. № 1. С. 96-99.
7. Гашимов А.М., Рахманов Н.Р., Гулиев Г.В. Улучшенный алгоритм нечеткой логики для управления реактивной мощностью и напряжением в распределительных сетях // Энергетика: межд. науч.-техн. Журнал. Минск. 2014. №2. С. 29-39.
8. Guliyev H.B., Farkhadov Z.I. Mammadov J.F. System of automatic regulation of reactive power by means of fuzzy logic // Reliability: Theory & Applications. Vol.10. No.2 (37). USA. San Diego. 2015. Pp. 50-58.
9. Рахманов Н.Р., Гулиев Г.Б., Фархадов З.И. Идентификация структуры нечеткого регулятора реактивной мощности // Электро. Электротехника, Электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2015. № 4. С. 28-31.
10. Zadeh L. Outline of a new approach to the analysis of complex systems and decision processes, IEEE Trans. on Systems, Men and Cybernetics. Vol. smc-3. jan. 1973. Pp. 28-44.
11. Алиев Р.А., Алиев Р.Р. Теория интеллектуальных систем и ее применение. Баку, Чашыоглу, 2001. 720 с.
12. Nayeripour M., Khorsand H., Roosta A.R., Niknam T. A New Approach Based on Fuzzy Controller for Volt/Var Control in Distribution System // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. 2010. Vol. 4(3). Pp. 468-480.
13. Lin Y.J. Systematik approach for the design of a fuzzy power system stabilizer. International Conference on Power System Technology. 2004. Vol. 1. Pp. 747-752.
14. Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами Matlab. Горячая линия. Телеком. М., 2007. 288 с.
15. Fuzzy Logic Toolbbox. User’s Guide. Version 2. The Math_works/ Inc. 1999.
