Методическое пособие 812

квазипериодического изменения температуры, а поэтому и флуктуации частоты. Подобное явление и будет устраняться слежением за уходом частоты. В данной ситуации возможны два варианта применения алгоритма: с калибровкой и без калибровки. Процесс калибровки подразумевает установление такого значения температуры, при котором флуктуация частоты при нагревании и охлаждении будет иметь нулевое среднее значение. Подобной ситуации соответствует зависимость 1 на рис. а. В случае отсутствия калибровки, при среднем значении температуры наблюдается отличное от требуемого значение частоты. В худшем случае необходимое значение опорной частоты будет достигаться лишь при пиковом значении температуры, как это показано на рис. б, зависимость 1.

а) б) Относительное отклонение частоты опорного генератора

при термостабилизации: а) с калибровкой; б) без калибровки 1 – до корректировки ЛШВ, 2 – после корректировки ЛШВ

Зависимости 2 на рисунке характеризуют нестабильность частоты опорного генератора после проведения корректировки. Как видно из полученных графиков, применение алгоритма слежения за рассогласованием шкал позволяет снизить нестабильность частоты опорного генератора более чем в три раза даже в самых сложных условиях эксплуатации, когда не представляется возможность сконфигурировать систему в соответствии с параметрами окружающей среды.

А.М. Рембовский, А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин; под ред. А.М. Рембовского. – 3-е изд., перераб. и доп. – М: Горячая линия-Телеком, 2012. – 640 с.

2. Simon, Dan. Optimal State Estimation: Kalman, H-infinity, and Nonlinear Approaches. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. Retrieved from http://en.bookfi.net/book /445765.

170

УДК 621.316.761

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ

КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

В.Л. Бурковский1, А.Д. Данилов2, В.Н. Крысанов3, К.В. Иванов4

1Д-р техн. наук, профессор, bvl@vorstu.ru

2Д-р техн. наук, профессор, danilov-ad@yandex.ru 3Канд. техн. наук, sovteh2000@mail.ru

4Аспирант кафедры ЭАУТС, Dharma_lost@bk.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Аннотация: в статье приводится технический анализ аппаратной реализации КРМ с обоснованием экономического эффекта. Приводятся результаты расчетов оптимальных режимов работы узлов нагрузки с применением КРМ. Делаются выводы о возможности эффективного применения устройств КРМ для электроприводов.

Ключевые слова: энергоэффективность, компенсация реактивной мощности, оптимизация.

К потребителям реактивной энергии относятся, прежде всего, металлургические заводы, предприятия нефтяной, газовой, химической и угольной отраслей, имеющие асинхронные электроприводы. Для реализации энергосберегающего режима необходимо компенсировать реактивную мощность в течение всего рабочего дня. Соответственно, периодичность коммутаций компенсаторов реактивной мощности (КРМ) желательно реализовать в режиме, соответствующем графику нагрузки (от 24 до 144 раз в сутки).

Ниже представлены результаты технико-экономического анализа основных аппаратных решений КРМ, которые могут повысить уровень энергосбережения промышленных предприятий [1].

Самым слабым местом наиболее распространенных установок КРМ является сам способ коммутации конденсаторных батарей (КБ) с использованием контакторов, ввиду их ограниченного ресурса.

Вторым способом коммутации конденсаторов является использование тиристоров, включенных встречно-параллельно.

Можно предложить и альтернативный способ подключения КБ к сети, который заключается в использовании для этих целей контактора совместно с силовыми тиристорами [2,3].

На рынке представлен еще один перспективный вариант элемента коммутации – твердотельное реле (ТТР). Большинству твердотельных реле свойственно однозначное превосходство над электромеханическими реле в части меньших размеров, бесшумности работы, срока службы [4]. Отметим, что для функционирования такого КРМ необходима специальная СУ, реализующая соответствующий алгоритм работы всех элементов установки [5]

171

Экономический эффект применения описанных выше вариантов коммутации КРМ приведен в таблице ниже.

Экономический эффект

Для качественной оценки энергоэффективности систем электроснабжения промышленных предприятий, использующих КРМ, авторами предлагается упрощённый подход решения этой многофакторной задачи, основанный на использовании принципов оптимального регулирования по критерию минимума усредненных затрат с использованием энергоэкономических характеристик [6], которые характеризуют приведенные затраты в элементах систем электроснабжения промышленных предприятий от оптимизируемых параметров.

Экономический эффект (Э), обусловленный оптимизацией уровня напряжения и степени компенсации реактивной мощности с учетом энергоэкономических характеристик, определяется по выражению [6]:

X1t , X2t ,..Xnt – текущие оптимизируемые параметры режима;

H H H

X1t ,X2t ,..Xnt – текущие параметры исходного режима; T – продолжительность времени работы, ч/год;

m – число рассматриваемых энергоэкономических характеристик за год.

Для практического применения важно определение двух основных параметров КУ — их реактивной мощности и требуемой дискретности

172

регулирования (а она значительно влияет как на эффективность регулирования, так и на стоимость КУ). Для автоматизации данного расчета был использован специально разработанный алгоритм в программе «Matlab» [7].

Результаты вычислений, для наглядности и удобства дальнейшего анализа, переводятся в графическую форму для различных типов нагрузки. Пример приведен на рисунке ниже.

Энергоэкономическая характеристика узла с нагрузкой: 80% – асинхронные двигатели, 20% – осветительная нагрузка

На трехмерной графической зависимости фиксируются: по вертикальной оси суммарные затраты, по другим двум напряжение (от 200 до 250 В) и число ступеней КУ (от 1 до 4). По таким графикам удобно проводить анализ оптимизации режима работы типовых узлов нагрузки, определяя оптимальные значения напряжения, установленной реактивной мощности КУ и количества ступеней ее регулирования.

В соответствии с проведенным анализом, можно сделать вывод о возможности эффективного применения устройств КРМ на основе КБ для широкого спектра электроприводов с асинхронным двигателем в составе многих энергоемких промышленных предприятий. При этом, целесообразно реализовать специальный алгоритм подключения КБ на основе оптимальной схемы полупроводниковых ключей.

Проведя на основании исходных данных (используя нагрузочные характеристики объектов) серию расчетов по приведенным выше алгоритмам, можно получить информативную картину анализа нахождения оптимальных режимов работы типовых узлов нагрузки. Также можно определить оптимальные параметры для проектирования КРМ (количество ступеней и значение реактивной мощности) для электроприводов.

173

Литература 1. Возможности использования в автоматизированной системе

управления электроснабжением промышленных предприятий тиристорных конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности / В.Н. Кысанов, К.В. Иванов // Вестник ВГТУ. – 2017. – №1. – С. 40-45.

2.Крысанов В.Н. Устройство подключения конденсаторных батарей / В.Н. Крысанов // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. – Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2009.

3.Алиева Л.Ф., Крысанов В.Н., Рубин Я.С., Быков В.Е. Авторское свидетельство СССР, No 909755, кл. Н 02 J 7/10, 1980.

4.Твердотельное реле: [Электронный ресурс]. // Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Твердотельное_реле. (Дата обращения: 05.04.2018).

5.Крысанов В.Н. Оптимизация способов подключения конденсаторной батареи / Крысанов В.Н., Демихов А.В. // Электротехнические комплексы и системы управления. – Воронеж, 2009. – С. 53-58.

6.Зайцев, А.И. Энергосберегающие технологии в распределенных

электроэнергетических сетях / А.И. Зайцев, В.Н. Крысанов. – Воронеж: ФГБОУ ВО ВГТУ, 2016. – 243 с.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017618141, заявка № 2017615096, дата поступления 31.05.2017; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 24.07.2017. «Определение оптимальных параметров конденсаторной установки для компенсации реактивной мощности по критерию минимума затрат» / В.Н. Крысанов, К.В. Иванов (Россия).

174

УДК 538.9

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ZNO, ЛЕГИРОВАННЫХ FE, МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО НАПЫЛЕНИЯ

И.С. Ильяшев1, Ю.Е. Калинин2 1Магистр гр. ПФм-171

2Д-р физ.-мат. наук, профессор ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Аннотация: в работе рассмотрены электрические и оптические свойства тонких пленок ZnO, легированных Fe, полученных методом ионно-лучевого распыления. Установлено, что данные пленки имеют высокую прозрачность в видимом спектре излучения, низкое удельное электросопротивление и высокое значение термоэдс.

Ключевые слова: оксид цинка, термоэдс, электросопротивление.

Оксид цинка представляет большой интерес как материал, обладающий рядом уникальных свойств, что делает его перспективным для электроники [1].

Для получения тонких пленок ZnO, использовали метод ионно-лучевого распыления на установке УВН-2М. Осаждение происходило на неподвижный подложкодержатель, на который были закреплены подложки из ситалла СТ-50 и стекла. Для получения в ходе одного технологического процесса образцов с разным содержанием Fe навески железа были закреплены неравномерно на мишени из оксида цинка.

Толщина полученных пленок составила ~ 1 мкм. Анализ химического состава пленок показал, что концентрация Fe в них находится в диапазоне от

2,75 до 5,06 ат. %.

На рис. 1а представлено изменение удельного электросопротивления полученных тонких пленок ZnO при увеличении содержания Fe в них. Как видно, при увеличении содержания Fe увеличивается удельное электросопротивление образцов. Это может быть связано с замещением ионов Zn2+ ионами Fe3+ , обладающими большей энергией ионизации, что приводит к уменьшению концентрации носителей заряда. Это подтверждается зависимостью концентрации носителей заряда от содержания Fe (рис. 1а), полученной при измерении Эффекта Холла методом Ван-дер-Пау.

а б Рис. 1. Зависимость удельного электрического сопротивления (а)

и концентрации носителей заряда (б) тонких пленок ZnO-Fe

175

Из литературных источников [1] известно, что Fe является доноров для ZnO. Это подтверждается и для полученных образцов, как из измерений эффекта Холла, так и измерением термоэдс (рис. 2). При увеличении содержания Fe увеличивается и значение термоэдс, вплоть до 130 мкВ/К.

Рис. 2. Зависимость термоэдс тонких пленок ZnO-Fe от содержания Fe

Исследование оптических свойств проводилось с помощью спектрофотометра СПЕКС ССП-715-М. В результате было установлено, что полученные образцы тонких пленок ZnO обладают достаточно высоким коэффициентом пропускания света (рис. 3), который снижается с добавлением атомов Fe.

Рис. 3. Спектры пропускания тонких пленок ZnO, легированных Fe

Результаты оптических исследований показали, что спектры пропускания в тонких пленках ZnO, легированных Fe, и нелегированного образца ZnO. и имеет край собственного поглощения в районе 350 нм, что соответствует ширине запрещенной зоны оксида цинка 3,37 эВ приведенной в литературных источниках [1].

Литература

1. Influence of Fe-doping on the optical and electrical properties of ZnO films A.P.Rambu, V.Nica, M. Dobromir Superlattices and Microstructure 59 2013, p.87-96.

176

УДК 04.4

ПОРТАТИВНОЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ

Р.А. Мещеряков1, В.А. Кондусов2 1Студент гр. РП-161, roma.mesheryakov.91@mail.ru

2Канд. физ.-мат. наук, доцент, kva.vrn@mail.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Аннотация: разработано устройство, позволяющее собирать информацию об окружающей среде с различных датчиков, таких как: датчик магнитного поля, гироскоп, акселерометр, инфракрасный датчик движения, температуры и влажности, ультразвуковой дальномер.

Ключевые слова: датчики движения, температуры, влажности, дальномер, гироскоп.

Разработанное устройство (рис. 1), позволяет пользователю оперативно собирать информацию об окружающей среде с различных датчиков, таких как: датчик магнитного поля, гироскоп, акселерометр, инфракрасный датчик движения, температуры и влажности, ультразвуковой дальномер. Оно имеет малые габариты и эргономично расположенные элементы управления. В качестве аппарата вывода информации используется компьютер.

Устройство позволяет при необходимости быстро измерять показания:

–о перемещении объектов с помощью инфракрасного датчика движения

(рис. 2);

–о температуре и влажности с использованием емкостного датчика температуры и гигрометра (рис. 3). Находящийся внутри чип может выполнять аналого-цифровые преобразования и выдавать цифровой сигнал, который считывается посредством микроконтроллера;

177

ультразвукового дальномера (рис. 4). Сенсор дальномера в приборе работает по принципу сонара, а точнее – посылает ультразвуковой пучок и по задержке отражённого от объекта сигнала определяет расстояние до цели;

– о изменении углов ориентации контролируемого тела (рис. 5) с

использованием акселерометра, измеряющего проекцию кажущегося ускорения, то есть разницу между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением;

– о индукции магнитного поля с использованием датчика магнитного поля (датчик Холла, рис. 6), позволяющего осуществлять контроль дистанции до магнита и определение полюса магнита. Выбранный датчик является униполярным, и может детектировать магнитное поле только в одном направлении. Датчик планируется также использовать для слежения за блокировкой колес мобильного робота.

В качестве основы проекта использован модуль Arduino (рис. 7) , включающий плату с микроконтроллером снабжённым минимально необходимым набором обвязки, включающей стабилизатор питания, кварцевый резонатор, цепочки сброса и др. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Arduino-совместимые платы спроектированы таким образом, чтобы их можно было при необходимости расширять, добавляя в устройство новые компоненты.

178

Рис. 9

Так работает устройство через данную программу (рисунок 9):

1)Humidity – влажность (%);

2)Temperature – температура (в градусах);

3)Magnetick – магнитное поле;

4)Distance – дистанция (в см)

5)Акселерометр (ускорение) AcX – по оси x; AcY – по оси Y; AcZ – по оси Z;

Гироскоп GyX – по оси X; GyY – по оси Y; GyZ – по оси Z; 6) Movement Detected (обнаружено) – инфракрасный датчик движения; No Movement Detected (не обнаружено).

Литература 1. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат

Arduino/Freeduino: Пер. с нем. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВПетербург, 2016. – 256 с.

179