автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Неактивные составляющие полной мощности в автономных электротехнических системах судостроения

'' САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ .

АГУНОВ Александр Викторович

УДК 621.314.1:621.382

На правах рукописи

НЕАКТИВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ В АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СУДОСТРОЕНИЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете на кафедре электротехники и электрооборудования судов.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ю.Н. КИРЕЕВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

К.В. НЕДЯЛКОВ - кандидат технических наук А.Е. БОНДАРЕНКО

Ведущая организация - ГП "Адмиралтейские верфи".

Зашита состоится У 1997г. в .часов в ауд.

на заседании специализированного ученого совета Д 053.23,02 по присуждению ученых степеней кандидата технических наук при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, улица Лоцманская,3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю совета.

Автореферат разослан " 997 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор ^ А.Н.Дядик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Значительное увеличение доли полупроводниковых преобразователей' в составе судовых электроэнергетических систем (СЭЭС) и систем электроснабжения предприятий судостроительной отрасли приводит к существенным нелинейным искажениям сетевого напряжения и тока. Нелинейные искажения кривой напряжения сети или, другими словами, несинусоидальные режимы неблагоприятно влияют на работу силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. В результате этого возникают экономические ущербы, обусловленные, главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы основного электрооборудования СЭЭС.

В связи с этим, прогрессирующее внедрение преобразователей на судах, кораблях, плавучих боровых установках и предприятиях судостроения выдвигает к ним особые требования, определяющиеся влиянием преобразователя на качество и параметр^! питающей сети переменного тока, т.к. при низких энергетических показателях отрицательное влияние преобразователей на питающую сеть может быть столь велико, что в некоторых случаях будет ставиться под сомнение целесообразность их применения.

В этих случаях особенно важной становится достоверная оценка степени влияния на питающую сеть переменного тока системы "преобразователь - нагрузка" как потребителя электроэнергии, загружающего сеть переменного тока гармоническими составляющими, отличными от частоты сети.

Такая оценка может базироваться на использовании общих энергетических характеристик преобразователя, которые определяются соотношениями между уровнем полной мощности, потребляемой преобразователем от .сети, и уровнями ее составляющих.

Между тем, многомерность .энергопроцессов в электрических цепях с несинусоидальными токами и напряжениями, с одной стороны, и многоаспектность характеристик этих процессов, с другой стороны, обусловили наличие многочисленных методов анализа несинусоидальных режимов и формул для оценки неактивных составляющих полной мощности, которые не удовлетворяют условию выполнения энергетического баланса по отдельным составляющим полной мощности. Поэтому, разработка энергетических методов анализа реальных электромагнитных процессов в СЭЭС с нелинейными элементами представляет определенный интерес и является актуальной.

Работы в этом направлении ведутся достаточно интенсивно как за рубежом, в частности, в специально созданной группе Международной электротехнической комиссии (МЭК), так и в нашей стране, в рамках Научного совета Академии наук "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" по теме: "Методические и технические аспекты понятия активной и реактивной мощности".

Диссертационная работа является составной частью исследований, проводимых согласно межвузовской комплексной программы Госкомвуза России по теме: "Разработка научных основ обеспечения электромагнитной совместимости технических средств", а также по этапу "Расчет и анализ статических и энергетических показателей источников вторичного электропитания" темы: "Разработка источников вторичного электропитания для маломощных энергосистем в судостроении на базе транзисторных преобразователей", исполнителем которых являлся СПбГМТУ.

Цель работы. Создание строгой методической основы для определения реактивной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения и анализ на основе полученной методики реальных электромагнитных процессов в

сээс

Для достижения Згой цели в данной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Найти, исходя из общих уравнений теории электромагнитного поля, определение реактивной мощности в электрических цепях с периодическими несинусоидальными формами входных величин, выяснив ее физический смысл.

2. Провес™ анализ сформированной математической модели реактивной мощности для подтверждения ее адекватности реальным физическим процессам, происходящим в СЭЭС.

3. Разработать подход к определению составляющих полной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения, удовлетворяющий условию выполнения энергетического баланса по отдельным составляющим.

4. Определить основные энергетические характеристики системы "генератор - нагрузка", которые могут использоваться в качестве рациональных критериев для сравнительного анализа режимов статических полупроводниковых преобразователей и оценки их влияния на питающую сеть переменного тока.

5. Разработать, основные принципы построения и алгоритмы функционирования микропроцессорного (МП) измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), способного адекватно отражать энергетические процессы в СЭЭС с нелинейными элементами.

6. Экспериментальными исследованиями подтвердить работоспособность предложенного ИВК й принципиальную

возможность его практического использования для оценки энергетических характеристик системы "генератор - нагрузка".

Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории электромагнитного поля, теории электрических цепей и сигналов, линейные векторные пространства и ряды Фурье, а также вычислительная математика с элементами программирования.

Достоверность исследований и методов расчета проверялась путем сопоставления результатов расчетов по аналитическим соотношениям с результатами натурных экспериментов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:

1.Выражение для определения реактивной мощности в электрических цепях с любыми формами периодических входных величин, согласно которому <•) равна корню квадратному из суммы квадратов разностей средних величин магнитной и электрической энергий гармонических составляющих, пропорциональных круговой частоте гармоники или, другими словами, равна коршо квадратному, из суммы квадратов реактивных мощностей отдельных гармоник.

¿.Подход к определению составляющих полной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения, удовлетворяющий условию выполнения энергетического баланса по отдельным составляющим.

З.Основные энергетические характеристики системы "генератор-нагрузка", которые могут использоваться в качестве рациональных критериев для сравнительного анализа режимов статических полупроводниковых преобразователей и оценки их влияния на питающую сеть переменного тока.

4.Принципы построения и алгоритмы функционирования микропроцессорного ИВК, способного адекватно отражать энергетические процессы в СЭЭС с нелинейными элементами.

Практическая ценность. Разработана методика определения составляющих полной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения, основанная на использовании универсальных, физически обоснованных выражений, позволяющая более точно, по сравнению с ранее известными методами, оценить неактивные составляющие полной мощности для поддержания оптимальных режимов и увеличения надежности электроснабжения.

Получены расчетные соотношения для определения энергетических коэффициентов системы "генератор-нагрузка", которые могут использоваться в качестве рациональных критериев для обеспечения электромагнитной совместимости полупроводниковых

преобразователей и судовых электроустановок. Сформулированы основные принципы построения и алгоритмы функционирования микропроцессорного ИВК, адекватно отражающего энергетические

процессы в СЭЭС. Реализована схема устройства измерения составляющих полной мощности и других энергетических характеристик на базе ПЭВМ типа IBM PC.

Внедрение результатов работы. Результаты, полученные в настоящей работе, внедрены в производственный процесс ГП "Адмиралтейские верфи" г.Санкт-Петербурга при разработке системы управления компенсации реактивной мощности предприятия, что позволило повысить надежность его электроснабжения.

Разработанные математические модели и алгоритмы для оценки составляющих полной мощности в электротехнических системах с нелинейными элементами используются в АО "Системы связи и телемеханики" г.Санкт-Петербурга при разработке универсального блока контроля и учета электроэнергии.

Основные результаты работы используются в учебном процессе СПбГМТУ.

Апробация работы. Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено на:

- IV-ой научно-технической конференции "Проблемы нелинейной электротехники" (Киев, 1992);

- XVIII-om международном конгрессе Румыно-Американской академии наук (Кишйнев, 1993);

- международной конференции по энергетике CNE"94 (Нептун Румыния, 1994);

- международных симпозиумах "Энергетика-95,96" (Санкт-Петербург, 1995,1996);

- семинаре научно-технического . общества имени академика А.Н.Крылова "Опыт исследования, проектирования, наладки, испытаний и эксплуатации средств компенсации реактивной мощности в судовых электроэнергетических системах" (Санкт-Петербург, 1996).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в научно-техническом отчете ив 13 печатных работах, в том числе 11 статьях и 2 описаниях изобретений.

Структура и объем работы . Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав, заключения, списка литературы из наименований и двух-приложений. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, иллюстрации.на страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формируется цель и основные задачи диссертации, изложены методы исследования, отражена научная новизна, отмечается практическая значимость и реализация результатов работы.

В первой главе рассматриваются понятия мощности, которые используются при анализе энергетических процессов в цепях переменного синусоидального тока и напряжения, проводится сопоставительный анализ различных подходов к определению реактивной мощности в цепях с периодическими несинусоидальными токами и напряжениями.

На основе сопоставительного анализа показана целесообразность поиска общего функционала для определения реактивной мощности, справедливого при любых периодических формах входных величин электрической цепи.

В электрических цепях с синусоидальными формами токов и напряжений пользуются несколькими понятиями мощности, которые регламентируются ГОСТ |9880-74.

Мгновенное значение мощности р цепи синусоидального тока равно произведению мгновенных значений напряжения и и тока 1:

р - и- 2.

Если 1с цепи приложено напряжение и ~ № т ( то в общем

случае ток в цепи -1 = Ъ\Xi{cot — (р) 1 а '

р = [Л^СОЪф - соъ{2соС-ф)] (1)

где С/и Г-действующие значения напряжения и тока; ф - сдвиг фаз между напряжением и током; (О - круговая частота; t - время.

Таким образом, мгновенное значение мощности имеет две

составляющие: постоянную Ш , не изменяющуюся во

времени, и переменную COS>(^l(Dt — (р) 1 изменяющуюся

периодически с частотой 2 СО .

Вследствие этого' мгновенное значение мощности также изменяется с двойной частотой. При этом, мощность положительна, если напряжение и т;ок совпадают по направлению, и отрицательна, если напряжение и ток имеют ррзные знаки.

То, что значения мгновенной мощности в некоторые промежутки времени принимают отрицательные величины, свидетельствует об изменении направления передачи электроэнергии, т.е. об обмене электроэнергией между источником и приемником. Такую энергию обмена между источником и приемником, которая не преобразуется в другие виды энергии, называют реактивной. В электрических, цепях синусоидального тока и напряжения обмен связан с реактивными составляющими сопротивлений, которые периодически накапливают энергию, а затем возвращают ее источнику. Интенсивность обмена электроэнергией характеризуют реактивной мощностью

0 = и1вЫ(р_ (2)

Из (2) видно, что при отстающем токе ÍSP > 0) реактивная

мощность положительна, а при опережающем токе < 0) отрицательна.

Постоянная составляющая мгновенной мощности равна среднему значению мгновенной мощности за период и характеризует интенсивность передачи электроэнергии от источника к приемнику и ее преобразование в другие виды энергии, т.е. активный необратимый процесс. Поэтому ее называют активной мощностью Р = UICOS(p . (3)

Величину, равную произведению действующих значений напряжения и тока называют полной мощностью и обозначают

S=UI. (4)

Известное соотношение между полной, активной и реактивной мощностями получают из формул (2) - (4):

Р2 +Q2 = {uif{cos2 (р + sin2 (р) = {Ulf = S2 t

или

H^f. (5)

Рассмотренные выше составляющие полной мощности • используются для анализа установившихся режимов в однофазных и симметричных многофазных электрических цепях с синусоидальными формами входных величин (напряжений и токов). Однако, для электрических цепей с несинусоидальными формами токов и напряжений некоторые из этих понятий и определений требуют уточнений. Так, например, в несинусоидальных и нелинейных электрических цепях представление о реактивной мощности как о мощности, характеризующей интенсивность обмена электроэнергией между источником и нагрузкой, неприменимо.

До настоящего времени, нет "четкого определения понятия реативной мощности, вследствие чего разные авторы трактуют его исходя из различных физических предпосылок.

В связи с этим, использование различных методик определения реактивной мощности для одного, и того же режима электрической цепи приводит к различным результатам, что затрудняет, а порой делает и невозможным их сравнительный анализ и оценку. (

Проведенный сопоставительный анализ существующих определений понятия "реактивная мощность" показал целесообразность поиска нового единого, исходя из общих уравнений теории электромагнитного поля, подхода к определению реактивной мощности, пригодного для любых периодических форм входных величин электрической цепи.

При этом сформулирована задача: найти определение реактивной мощности в виде общего функционала, тождественно равного корню квадратному из суммы квадратов разностей средних величин магнитной и электрической энергий гармонических составляющих, пропорциональных круговой частоте гармоники или, другими слоезми, корню квадратному из суммы квадратов реактивных мощностей гармонических составляющих:

I

е=

или

к=О

0 =

Т/2

5

к=о

Ей

(6)

(7)

где к - номер гармонической составляющей; ^Ш ср - среднее значение

магнитной энергии к-ой составляющей; - среднее значение

электрической энергии к-ой составляющей; О* - реактивная мощность к-ой составляющей.

Во второй главе в соответствии с поставленной задачей найдено выражение для определения реактивной мощности в электрических цепях с любыми формами периодических входных величин. Проведен анализ сформированной математической мйдели реактивной мощности, подтверждающий ее адекватность реальным электромагнитным процессам, происходящим в электрической цепи. Дано физическое объяснение явлению возникновения реактивной мощности в электрических цепях с нелинейными элементами.

Для решения поставленной задачи рассматривается осредненное по объему V источника электроэнергии периодическое монохроматическое электромагнитное поле в непрерывной среде с объемной плотностью энергии

*кЛ(5кЁк+$кнк) ?

(8)

где Е к,Ок ,Нк,Вк _ соответственно векторы напряженности электрического поля, электрического смещения, напряженности

магнитного поля, магнитной индукции определенного (к-го) монохроматического электромагнитного поля. Используя закон сохранения заряда и закон электромагнитной

индукции, величиныЕк,Вк,Нк,Вк. можно выразить в виде:

t

б?. _ I

Еь

Нк вк --

1 £(

£ ' Л 9

4 °*к о

(9)

где - соответственно э.д.с. и ток во внешней (по отношению к

объему ^ ^~ ^нк^вк ) цепи;

о t

заряд, смещающийся через осредненное сечение

<7

магнитныи поток через осредненное сечение "вк;

/ /

нк - осредненные длины силовых линии потоков векторов

Тогда, объемные плотности энергий электрического и магнитного полей с учетом соотношений (9):

I

™Э.к = -

™М.к = -

о

¡гкап

о

\екйи

(10)

Среднее значение разности объемной плотности энергии магнитного и электрического полей к-ой составляющей определится как г

(И)

Реактивная мощность к-ой составляющей будет равна

о

к.ср

1 г — к

' 1 1 т \e.dt Л - ксо—- Г I 2 Т1

Л. (12)

Учйтывая, что функции гармонические для них

справедливо равенство

т [~£ 1 г Гс

о |_о J о

и выражение (12) принимает вид: [Г Г(

(13)

04)

-1 О 10

При общем характере электромагнитного поля, когда

А-оо п=<я

А=0 л=0

реактивная мощность оценивается как корень квадратный из суммы квадратов реактивных мощностей отдельных гармоник:

11/2

(15)

к=ж 1/2 к=°О ( , г ксо г . "с Л 2~

0 = 1с2 = I \e.dt сИ

_*=0 *=0 К Т 0 _о

(16)

Предложенное выражение (16) является общим и справедливо для произвольной электрической цепи с любыми формами периодических входных величин.

Для проверки адекватности .и контроля применимости полученных аналитических результатов, в качестве прикладных тестовых задач, рассмотрены два примера.

Пример 1. Пусть напряжение и ток в электрической цепи определяются как:

и = и„ БШСОЬ\ ]

1 = 1гп з'т(£УС - (р).\

Подставляя (17) в (16), определим

0 = и1ът.<р,

Таким образом, получен известный результат - реактивная мощность двухполюсника при синусоидальных токе и напряжении равна произведению действующих значений напряжения, тока и синуса сдвига фаз между ними.

Пример 2. Рассматривается цепь, состоящая из активного сопротивления и идеального ключа (рис.1,а), симметрично замыкающегося в течение каждого полупериода частоты сети в

момент времени (-ЛЯ" + СС)/СО и размыкающегося ь моменты

7С(п + 1)/СО (рис. 1,6), где п = 0,1,2,.....

Напряжение и ток в такой цепи описываются на периоде следующим образом:

ц = гУя5т<у£; (18)

•0 ,0 < со £ < а,

0 ,7Г<й)£<ЯЧ-а, 1т&\ricot .яг + а < <у£ < 2ж.

(19)

Подставляя (18) и (19) в (16), получим: П

Из приведенного примера видно, что загрузка источника реактивной мощностью не обязательно должна сопровождаться циркуляцией "обменной" энергии между нагрузкой и источником.

Здесь, мгновенная мощность Р = и1 либо положительна, либо равна нулю, следовательно, обмена энергией между источником энергий и нагрузкой не происходит. Эта цепь не содержит накопителей энергии электрического и магнитного полей >- в ней происходит только необратимый энергетический процесс превращения электромагнитной энергии в теплоту в сопротивлении Я.

Для выяснения физической сущности реактивной мощности в электрической цепи с нелинейными элементами рассматривается качественна^ ■ сторона энергетических процессов, происходящих мезвдуэле&гентами системы "источник питания - нагрузка".

Пусть цепь, показанная на рис.2,а, состоит из источника синусоидального напряжения и активной нагрузки. В этой цепи ток з нагрузке созпадает по фазе с напряжением и в некоторый момент

времени Ц достигает величины . При этом, для достижения

величины тока потребовалось время At (рис. 2, б).'

3 цепи, показанной на рис.1, а, вентили и ' в интервале

времени от 0 до закрыты, и ток в нагрузке равен нулю, а в

?.«омент времени Ч вентиль Х/Г\ оттфывается и ток в нагрузке

принимает значение . Сравнивая энергетические процессы в рассматриваемых схемах ввдно, что, если в первом случае дет

доспгаенкя тохом значения потребовалось вреыя А £ ,то со втором случае (рис. 1,6) ток принимает это значение прзгстиче^ас мгновенно. Чтобы обеспечить такое резкое, практически мгновенное изменение тока, источнику необходимо иметь некоторый задке энергии электромагнитного поля. Этот запас энергии определяет величину реактивной мощности. Характер реактивной мощности в данном случае определяется тем, что первоначальная работа, необходимая для образования запаса энергии, совершается по направлению действия электромагнитных сил.

Интересно отметать, что в данном случае (см.рнс. I) реактивная мощность по (16) полностью совпадаете мощностью "сдвига", т.е. с реактивной мощностью по первой гармонике тока. Это объясняется отсутствием гармоник в кривой напряжения. Однако, при лесин у со и дал ь пых как напряжении, так и токе (при общем характере электромагнитного поля (15)), такого совпадения может не быть поскольку реактивная мощность будет определяться как корень квадратный из суммы квадратов реактивных мощностей отдельных гармоник.

Таким образом, данная физическая трактовка полностью отражает реальные электромагнитные процессы в электрической цепи и позволяет строго объяснить существо и характер возникающей реактивной мощности.

3 третьей главе предложен подход к определению составляющих полной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения, удовлетворяющий условию выполнения

энергетического баланса по отдельным составляющим. Определены основные энергетические характеристики системы "генератор-нагрузка", которые могут использоваться в качестве рациональных критериев для сравнительного анализа режимов статических полупроводниковых преобразователей и оценки их влияния на

питающую сеть переменного тока. Получены математические модели для оценки составляющих полной мощности средствами вычислительной ^техники, основанные на гармоническом анализе входных величин цепи переменного тока.

В большинстве практически важных случаев составляющие Е, Н электромагнитного поля в электрических цепях с несинусоидальными формами входных величин описываются функциями, удовлетворяющими условиям Дирихле, и, следовательно, могут быть представлены в виде бесконечного гармонического ряда Фурье (15).

Тогда, средний поток мощности электромагнитного поля сквозь единичную замкнутую поверхность Б , в соответствии с теоремой Умова - Пойнтинга, будет 1

1 Т со те

(20)

Выражение (20) в бесконечномерном гильбертовом пространстве

можно представить в виде:

1 О 5 *=0

и о . в 0 п=0

где Т - период электромагнитного поля.

Для каждого из произведений первой суммы в (21) справедливы выражения для активной

Р . 1)л\fldS = \\pdt =

1 о э 1 о ЬО^ о 4 '

и реактивной (16) мощностей, где П = £.£7 X . вектор Умова -Пойнтинга.

Вторая сумма в (21) представляет собой энергию взаимного влияния гармонических, с отличными друг от друга частотами, составляющих электрического и магнитного полей и характеризуется величиной, которую в преобразовательной технике называют мощностью.искажения:

£> =

Т

У2

(23)

о ¿=0 п- 0 Л:*/?

следует заметить, что до настоящего вренени в системе государственных стандартов на термины и определения основных понятий теоретической электротехники (ГОСТ 19880-74), единицы физических величин (ГОСТ 8.417-81), буквенные обозначения основных величин в электротехнике (ГОСТ 1494-77) "мощность искажения " отсутствует. В связи с этим, в данной работе предложено обозначать мощность искажения через Ь (от англ."(11510Г810п"), и по аналогиии с реактивной мощностью измерять в (ваи) - вольт-ампер искажения.

Таким образом, в соответствии с (21), мощность источника сторонних электрических сил, другими словами, полная мощность идет в электрической цепи без потерь на создание активной мощности, реактивной мощности и 'мощности искажения и определяется тождеством Фризе (уравнение баланса мощности):

£ = [р2 + £2+£>2]'/2

где 1] =

Т -11/2 г т -|1/2

(24)

Приведенные выражения могут быть применены при анализе режимов статических полупроводниковых преобразователей, а также для определения энергетических коэффициентов системы "генератор -нагрузка", которыми в общем случае являются:

- коэффициент несимметрии фазы ;

- коэффициент искажения ](и ;

- коэффициент мощности .

Коэффициент несимметрии фазы характеризует соотношение между активной и реактивной ^мощностями и определяет симметричность распределения энергии электромагнитного поля фазы между магнитным и электрическим полями, согласно (6). При синусоидальной форме питающего тока и напряжения кНФ равен

СОБ^? . в случае, если форма тока несинусоидальна, а напряжение сохраняет синусоидальную форму, равен коэффициенту "сдвига".

Коэффициент искажения характеризует степень искажения сетевого напряжения и тока. При синусоидальном питающем

напряжении он определяется отношением действующего значения оснозной гармонической составляющей сетевого тока к действующему значению этого тока и определяет степень искажения сетевого тока. При синусоидальном как напряжении, так и токе, коэффициент искажения равен единице.

Коэффициент мощности равен отношению активной мощности к полной и определяет степень использования забираемой из сети полной мощности для совершения полезной работы - коэффициент полезного действия системы "генератор - нагрузка".

Для __' обеспечения адекватности энергетических процессов, происходящих в СЭЭС с нелинейными элементами, при синтезе математической модели составляющих полной мощности выбран гармонический метод анализа входных величин .модели, который позволяет получить наиболее точную картину происходящих процессов, но в силу этого является громоздким. Последний недостаток - громоздкость вычислений устраняется использованием современных средств вычислительной техники и методов измерений.

В четвертой главе разработаны и реализованы принципы, построения и алгоритмы функционирования микропроцессорного измерительно-вычислительного комплекса, способного адекватно отражать энергетические процессы в СЭЭС с нелинейными элементами. Экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность предложенного измерительно-вычислительного комплекса! и принципиальная возможность его практического использования.

При , определении общей . структуры измерительно-вычислительного комплекса необходимо рассмотреть вопрос о возможности' его создания на базе серийного оборудования к управляющей ПЭВМ, используемых в реальных СЭЭС, а также выбрать м£год измерения, обеспечивающий необходимую точность и быстродействие.

Поставленные задачи решены при помощи микропроцессорного ИВК на базе управляющей ПЭВМ типа IBM PC и адаптера сопряжения со встроенными АЦП.

Структурная схема такого ИВК в однофазном исполнении показана на рис.3. Комплекс содержит стандартные измерительные трансформаторы напряжения и тока (ГНИ, ТТИ), нормирующие преобразователи мгновенных значений напряжения и тока (НПН, НПТ), аналого-цифровые преобразователи, параллельный программируемый порт ввода-выВода и управляющую ПЭВМ с необходимым набором периферийных устройств. В представленной структуре осуществляется разделение функций преобразования и вычисления значений полной мощности между нормирующими преобразователями и ПЭВМ. Указанная особенность позволяет

независимо развивать как аппаратные, так и программные средства, сохраняя неизменными основные принципы построения комплекса.

Комплекс работает следующим образом. Информация о мгновенных значениях напряжения - u(t) и тока - i(t) поступает с нормирующих преобразователей на АЦП, с выходов которых далее через порт ввода-вывода попадает на системную шину ПЭВМ. Измерительно-вычислительный комплекс находится под управлением программы обслуживания, хранимой в памяти ПЭВМ, которая управляет вводом-выводом данных, работой АЦП, производит анализ введенных данных и вывод результатов измерений по заданному алгоритму (см.рис.4). Для измерения в трехфазных цепях система доукомплектовывается дополнительными

преобразователями тока и напряжения, а также входным программно-управляемым мультиплексором каналов.

Основной элемент микропроцессорного ИВК выполнен в виде дополнительной интерфейсной платы, устанавливаемой на системную шину ПЭВМ IBM PC, что дает возможность широко применять его для анализа энергопроцессов и выработки рекомендаций по установке фильтро-компенсирующих устройств и обеспечению электромагнитной совместимости в СЭЭС при несинусоидальных режимах.

Достоверность полученных аналитических результатов и правильность выбора технических решений при реализации ИВК была проверена на экспериментальной модели.

Модель состояла из ПЭВМ типа IBM PC / AT со встроенной интерфейсной платой "АЦП - микропроцессор" и специализированного программного обеспечения (ПО) "POWER", которое предназначалось для расчета составляющих полной мощности.

В качестве объекта эксперимента была выбрана лабораторная выпрямительная установка мощностью 2 кВА, собранная по однофазной мостовой схеме, работающая на активно-индуктивную нагрузку. Установка питалась от лабораторной сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц, напряжением 220 В.

Результаты экспериментальных исследований в совокупности с полученными аналитическими выражениями доказали работоспособность предложенного измерительно-вычислительного комплекса и принципиальную возможность его использования для практической оценки энергетических характеристик системы "генератор - нагрузка", а также оценки качества электроэнергии в СЭЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты.

1. На основе анализа различных подходов к определению реактивной мощности в СЭЭС с периодическими несинусоидальными токами и напряжениями показана целесообразность поиска общего функционала для определения реактивной мощности на базе уравнений теории электромагнитного поля, в частности теоремы Умова - Нойнтинга.

2. Предложено выражение (16) для определения реактивной мощности в электрических цепях с любыми формами периодических входных величин, согласно которому <3 равна корню квадратному из суммы квадратов разностей средних величин магнитной и электрической энергий гармонических составляющих, пропорциональных круговой частоте гармоники или, другими словами, равна корню квадратному из суммы квадратов реактивных мощностей отдельных гармоник.

3. Проведен анализ сформированной математической модели реактивной мощности, который подтвердил ее адекватность и выявил ряд следующих свойств:

- при синусоидальных токе и напряжении источника определение реактивной мощности по (16) тождественно нормированному определению (ГОСТ 19880-74);

- при несинусоидальном токе или напряжении и сохранении синусоидальными соответственно напряжения или тока определение реактивной мощности по (16) тождественно широко применяемому (но ненормированному) определению реактивной мощности по первой гармонике;

- представление реактивной мощности по (16) показывает,что загрузка источника реактивной мощностью не обязательно должна сопровождаться циркуляцией "обменной" энергии между источником и нагрузкой:

4. Дано физическое объяснение явлению возникновения реактивной мощности в СЭЭС с нелинейными элементами, которое позволяет строго объяснить ее существо и характер.

5. Предложен подход к определению составляющих полной мощности в СЭЭС при Несинусоидальном токе и напряжении, удовлетворяющий условию выполнения энергетического баланса по отдельным составляющим.

. 6. Приведены расчетные соотношения для определения энергетических коэффициентов системы " генератор - нагрузка", которые могут использоваться в качестве рациональных критериев для -сравнительного анализа режимов статических полупроводниковых преобразователей, оценки их влияния на

питающую сеть переменного тока, а также выработки рекомендаций по установке фильтро-компенсирующих устройств и обеспечению электромагнитной совместимости в СЭЭС с нелинейными элементами.

7. .Получены математические модели составляющих полной мощности, основанные на гармоническом анализе входных величин цепи переменного тока, позволяющие получить наиболее точную картину энергетических процессов в СЭЭС,

8. Сформулированы основные принципы построения микропроцессорного измерительно-вычислительного комплекса, способного адекватно отражать энергетические процессы в судовых электроэнергетических системах и системах электроснабжения предприятий судостроительной отрасли.

9. Согласно требованиям ГОСТ 13109-87 проведен анализ и выбор аналого-цифровых преобразователей, используемых в ИВК.

10. Предложена и реализована схема устройства измерения составляющих полной мощности и других энергетических характеристик на базе ПЭВМ типа IBM PC. Экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность предложенного устройства и принципиальная возможность его практического использования.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Агунов A.B. Энергетические характеристики вентильных преобразователей // Известия АН РМ: Физ. и техн., 1995, N 2, С. 75-77.

2. Агунов A.B. Микропроцессорная система сбора и обработай данных для оценки составляющих полной мощности в электротехнических системах с нелинейными элементами // Информационные технологии на транспорте: Сб. науч.тр.-Спб: СПГУВК,1996, С.108-112.

3. Агунов A.B., Агунов М.В. Составляющие полной мощности в нелинейных цепях // Изв. АН РМ: Физ. и техн., 1994, N 2, С. 59-62.

4. Агунов A.B., Агунов М.В., Левин М.Г. Энергетика несинусоидальных режимов // Проблемы нелинейной электротехники. IV-я научно-техническая конференция: Тез. докл. Киев, сент. 22-24, 1992, АН Украины, С. 17-18.

5. Агунов A.B., Киреев Ю.Н. Принципы построения измерительно-анализирующего комплекса для измерения составляющих полной -мощности в системах с нелинейными элементами II Тезисы докладов международного симпозиума "Энергетика - 95", Санкт - Петербург: 1995, С. 207-208.

6. Агунов A.B., Кирееп Ю.Н. Разработка системы управления • компенсации реактивной мощности ГП "Адмиралтейские верфи": Отчет по НИР, N ГР 0195.0005081; Инв. N 0295.0003659. Л., СПбГМТУ, 1995. 70 с.

1. Агунов А.В., Киреев Ю.Н. Математические модели составляющих полной мощности в цепях несинусоидального тока и напряжения // Информационные технологии на транспорте: Сб. науч. тр. - Спб: СПГУбК, 1996, С. 103-108.

8. Агунов- А.В., Киреев Ю.Н. Анализ электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей и элементов судовых электроэнергетических систем // Тезисы докладов международного симпозиума "Энергетика - 96", Санкт - Петербург: 1996, С. 135-136.

9. Агунов М.В., Агунов А.В. Реактивная мощность периодического электромагнитного поля в нелинейной среде И Изв. АН РМ: Физ. и техн., 1992, N 1, С. 97-99.

10. Агунов М.В., Агунов А.В. Определение реактивной мощности на основе электромагнитного поля в нелинейной среде // Электричество, 1993, N 2, С. 67-71.

П. А.С. 1737617 (СССР) Устройство для объединения двух энергосистем / М.В.Агунов, А.В.Агунов,- Опубл. в Б.И., 1992, N 20.

12. Патент РФ N 2066083. Статический компенсатор реактивной мощности / А.В.Агунов, М.В.Агунов.- Опубл. в Б.И., 1996, N 24.

13. Agunov А.V., Agunov M.V. Apparent Power Components in Nonsinusoidal Current Circuits // Towards a Sustainable Energy Efficiency in Romania. Advanced Technologies for Electric Energy. Transmission and Distribution. CNE"94. National Energy Conference. Proceedings. Section -VI. Neptun Romania, June 13-16, 1994. p.p. 120-121.

14. Agunov A.V., Agunov M.V., Levin M.G. A New Approach to Reactive Power Compensation II Moldova: Opening of its culture and science for the West. XVIlI-th Congress of the Romanian American Academy of Sciencis and Arts. Congress Proceedings. Academy of Sciences of Moldova. Kishinau, July 13-16,1993. p.p. 216.

а)

U,

Ofl

Рис. i.

а)

Рис. 2.

тна нпн АЛЛ ПОРТ ввода-вывода пэш 1ВН РС Периферийные устройства

Системная вина Нашинный интерфейс

ТТЛ нпт лш

Рис. 3.

рис. 4.

Ш СПб ГМТУ Зак. 845. Тир. 100.