Частотно-регульований електропривод підвищеної радіаційної стійкості для вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Мугенов Д.Д. Частотно-регульований електропривод підвищеної радіаційної
стійкості для вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів. -
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за
спеціальністю 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (14
- Електрична інженерія). - Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2023.
В роботі здійснено аналіз проблемної області застосування частотнорегульованих електроприводів середньої потужності в умовах впливу
іонізуючого випромінювання. Встановлено, що в 2020 році частка атомної
енергетики в структурі загального первинного постачання енергоресурсів
становила 23.2 %. Відповідно до «Енергетичної стратегії України на період до
2035 року» прогнозується, що частка атомної генерації в загальному обсязі
виробництва електроенергії зростатиме, що неминуче призведе до збільшення
кількості радіоактивних відходів. Для захоронення або довгострокового
зберігання таких відходів застосовують спеціалізовані сховища радіоактивних
відходів. В дисертаційній роботі розглядається приповерхневе сховище
радіоактивних відходів комплексу виробництв «Вектор». Сховище має
протяжність 120 метрів і для транспортування блоків із радіоактивними
відходами в якості вантажопідйомної машини застосовується мостовий кран.
Розглянуто структуру системи електроприводів мостового крану.
Виявлено, що оператор здійснює керування із сусідньої будівлі за допомогою
органів управління і системи відео спостереження. Силові агрегати
електроприводів виконані за схемою перетворювач частоти - асинхронний
двигун з короткозамкненим ротором і розташовуються безпосередньо на мості
крану, а пристрої керування – в приміщенні управління. Для обміну
інформацією між електроприводами на мосту крана і органами управління
застосовується атмосферний оптичний канал зв’язку.
В мостовому крані застосовуються частотно-регульовані електроприводи
загальнопромислового виконання, тобто не вживаються жодні заходи і
спеціальні технології для радіаційного захисту обладнання. Для врахування
радіаційних ефектів обрано величину поглиненої дози іонізуючого
випромінювання. Проведено огляд конструкції і матеріалів, з яких складається
кожен з елементів електроприводу. Складові матеріали електроприводу
поділено на категорії за функціоналом і проведено огляд впливу іонізуючого
випромінювання на: матеріали, що виконують механічні функції; провідники;
напівпровідники; діелектрики; магнітні матеріали; пасивні елементи
електричних кіл.
Виявлено, що напівпровідникові пристрої мають найменшу стійкість до
іонізуючого випромінювання, зокрема деградація властивостей кремнію
починається із поглиненої дози 1 крад, на відміну від діелектриків (1 Мрад) та
конструкційної сталі (100 Мрад). В подальшому дослідження зорієнтовано на
найслабкішій ланці системи, тобто на напівпровідникових приладах.
Частотно-регульований електропривод підйому мостового крану сховища
радіоактивних відходів містить перетворювач частоти із ланкою постійного
струму. Розглянуто структуру силового напівпровідникового каналу частотнорегульованого електроприводу. Розкрито, що для перетворювачів частоти
середньої потужності в якості ключів інвертора застосовують біполярні
транзистори з ізольованим затвором. Оскільки дослідження радіаційних ефектів
таких транзисторів в літературі не виявлено, прийнято рішення про
застосування схеми заміщення біполярного транзистора з ізольованим
затвором. Для дослідження радіаційних ефектів в біполярних транзисторах з
ізольованим затвором обрано схему заміщення на основі елементів, радіаційні
ефекти яких відомі. Проведено моделювання схеми заміщення біполярного
транзистора з ізольованим затвором з метою встановлення її достовірності.
Побудовані вольт-амперні і передаточні характеристики в достатній мірі
збігаються із заводськими характеристиками прототипу.
Розглянуто два типи драйверів управління силовими ключами інвертора –
на основі польових (метал-діелектрик-напівпровідникових) і біполярних
транзисторів. Побудовані електричні схеми заміщення силового
напівпровідникового каналу перетворювача частоти із цими драйверами.
Синтезовано і досліджено математичні моделі напівпровідникових
силових каналів перетворювача частоти для врахування радіаційних ефектів.
Для цього розглянуто радіаційні ефекти в окремих напівпровідникових
елементах силового каналу перетворювача частоти: діодах, біполярних і
польових (метал-діелектрик-напівпровідникових) транзисторах і оптронах.
Записані рівняння електричної рівноваги для електричних схем заміщення
силового напівпровідникового каналу перетворювача частоти із обома
варіантами драйверів. Ці рівняння є математичною моделлю для розрахунку
вихідної напруги перетворювача частоти середньої потужності від величини
поглиненої дози.
В процесі порівняння двох варіантів виявлено, що система із драйверами
на основі біполярних транзисторів стійкіша за систему із драйверами на основі
польових транзисторів: відмова перетворювача частоти з драйверами на
біполярних транзисторах настає при поглиненій дозі більше 800 крад, в той час
як система з польовими транзисторами драйверів виходить з ладу після 300
крад.
Дослідження синтезованої моделі дозволило визначити
напівпровідниковий пристрій в складі силового каналу перетворювача частоти,
зміна параметрів якого найсуттєвіше впливає на роботу системи. Для
вирішення цього питання в дійсній математичній моделі замість існуючих
напівпровідникових пристроїв по черзі підставлялися ідеалізовані, тобто
нечутливі до впливу радіації. Виявлено, що в системі із драйверами на основі
біполярних транзисторів використання радіаційно нечутливого біполярного
транзистора в складі БТІЗ забезпечує незмінну амплітуду вихідної напруги
перетворювача частоти із зростанням дози до 800 крад, після чого настає
функціональна відмова. З’ясовано, що радіаційна зміна параметрів оптрона
найсуттєвіше впливає на роботу всієї системи.
Оскільки атмосферний оптичний канал зв’язку – це, по суті, оптрон,
випромінювач і фотоприймач якого віддалені один від одного в просторі на
значну відстань (до 150 метрів), він потребує додаткового дослідження з
врахуванням особливостей його архітектури, включення в схему
електропривода і зміни довжини оптичного каналу викликаного пересуванням
мосту.
Розглянуто функціональну схему і технічні характеристики атмосферного
оптичного каналу зв’язку. Як критерій якості передачі даних обрано коефіцієнт
бітових помилок – відношення помилкових двійкових символів на виході
системи, поділене на загальне число прийнятих двійкових символів, при
довжині переданої двійковій послідовності, що прямує до нескінченності.
Виконано аналіз факторів, що погіршують якість передачі інформації, до таких
факторів відносяться: послаблення потужності отриманого приймачем сигналу
внаслідок не безкінечно вузької діаграми спрямованості передатчика; шумові
перешкоди передатчика, каналу і приймача; деградація викликана впливом
іонізуючої радіації; природна деградація лазера; послаблення лазерного
випромінювання в атмосфері. На основі структурної схеми атмосферного
оптичного каналу зв’язку побудовано його імітаційну модель в середовищі
MATLAB/Simulink. Синтезовану модель досліджено і на основі побудованої
залежності коефіцієнта бітових помилок від відношення сигнал / шум
встановлено її адекватність.
Задля підвищення якості передачі в атмосферному оптичному каналі
зв’язку запропоновано застосування штучної нейронної мережі в складі
демодулятора. Такий демодулятор оперує векторами, а не миттєвими
значеннями сигналів, що дозволяє достовірно класифікувати сигнал при
низьких значеннях відношення сигнал / шум. Сформовано і оброблено
навчальну вибірку для навчання штучної нейронної мережі. Виходячи із задачі
класифікації обрано, навчено і протестовано дев’ять типів архітектур штучних
нейронних мереж. Позитивного результату вдалося досягти лише з двома
типами: прямого поширення із двома лініями затримки і радіально-базисної
мережі. Ймовірнісна радіально базисна мережа показала найнижчий коефіцієнт
бітових помилок при відношенні сигнал / шум від 0 до 0.7 дБ, проте велика
кількість нейронів прихованого шару (583) потребувала значного часу
моделювання, а у втіленні в апаратному забезпеченні потребуватиме великої
обчислювальної потужності. Мережа прямого поширення із 24 нейронами
прихованого шару і 2 лініями затримки входу показала найнижчий коефіцієнт
бітових помилок при відношенні сигнал / шум більше за 0.7 дБ. На нижчих
відношеннях сигнал / шум її крива співпадає із кривою штучної нейронної
мережі із 25 нейронами і вони нижчі за криву демодулятора на основі
компаратора.
Наукова новизна полягає у наступному:
− розроблено наукові підходи до оцінки радіаційної стійкості частотнорегульованого електроприводу вантажопідйомних машин сховища
радіоактивних відходів шляхом визначення характеру впливу іонізуючого
випромінювання на його структурні елементи, що дає змогу виявити такі з них,
що потребують удосконалення або заміни;
− отримали подальший розвиток математичні моделі силових
напівпровідникових каналів перетворювача частоти стосовно використання
біполярних і метал-діелектрик-напівпровідникових транзисторів у драйверах
управління транзисторами інвертора шляхом врахування величини прямого
падіння напруги на діоді, порогової напруги польових транзисторів,
колекторного опору біполярних транзисторів та коефіцієнту передачі по струму
в оптронах, що дозволяє оцінити вплив іонізуючого випромінювання на
стійкість роботи таких напівпровідникових елементів;
− шляхом математичного моделювання встановлено, що схема
перетворювача частоти із драйверами на основі біполярних транзисторів
стійкіша до впливу іонізуючого випромінювання та функціонує до дози 800
крад проти 250 крад у випадку драйвера на основі метал-діелектрик-
напівпровідникових транзисторів, що дозволяє рекомендувати в умовах впливу
радіації використовувати саме такі драйвери на основі біполярних транзисторів;
− науково обґрунтовано особливості використання атмосферного
оптичного каналу зв’язку в умовах впливу іонізуючої радіації шляхом його
імітаційного моделювання в складі системи управління електроприводами
мостового крану сховища радіоактивних відходів, що дає змогу максимізувати
рівень якості передачі даних за умови невтручання у внутрішню структуру
передатчика і приймача;
− розвинуто науковий підхід до процедури демодуляції сигналів
керування, що за допомогою атмосферного оптичного каналу зв’язку надходять
від віддаленого пульта на вхід частотно-регульованого електроприводу
вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів, шляхом
застосування штучної нейронної мережі, що дозволило знизити коефіцієнт
бітових помилок на всьому діапазоні відношення сигнал шум.
Практичне значення полягає в тому, що розроблено імітаційну модель
силового напівпровідникового каналу перетворювача частоти із ланкою
постійного струму в середовищі MATLAB/Simulink, яка дозволяє досліджувати
вплив величини поглиненої дози на амплітуду вихідної напруги; розроблено
технічне рішення підвищення якості передачі даних в атмосферному
оптичному каналі зв’язку шляхом застосування штучної нейронної мережі в
його демодуляторі; запропоновані рекомендації щодо підвищення радіаційної
стійкості частотно-регульованого електроприводу і зниження коефіцієнту
бітових помилок атмосферного оптичного каналу зв’язку при низьких
значеннях відношення сигнал / шум.
Опис
Ключові слова
електропривод, перетворювач частоти, інвертор, електротехнічний пристрій, вантажопідйомна машина, мостовий кран, радіоактивні відходи, радіація, іонізуюче випромінювання, атмосферний оптичний канал зв’язку, математичне моделювання, electric drive, frequency converter, inverter, electrotechnical device, hoisting machine, bridge crane, radioactive waste, ionizing radiation, optical data transmission system, mathematical modelling
Бібліографічний опис
Мугенов, Д. Д. Частотно-регульований електропривод підвищеної радіаційної стійкості для вантажопідйомних машин сховища радіоактивних відходів : дис. ... д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Мугенов Даніїл Джалільович. - Київ, 2023. - 176 с.