автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования узла с двигательной нагрузкой при изменении напряжения в системах электроснабжения

005009666

НЕМЦЕВ Александр Геннадьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УЗЛА СДВИГА ТЕЛЫЮИ НАГРУЗКОЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРО

СНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С ЯНВ 2012

Чебоксары - 2012

005009666

Рабата выполнена на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Степанов Иван Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Федоров Олег Васильевич

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева

кандидат технических наук, доцент Вснеднетов Сергей Васильевич

Чебоксарский политехнический институт (филиал) МГОУ

Ведущая организация:

ОАО «ВНИНР» (г. Чебоксары)

Защита состоится «17» февраля 2012 г. в 14 часов 00 минут в зале Ученого совета на заседании диссертационного совета Д212.301.Об при ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» (428034, г. Чебоксары, ул. Университетская д. 38, библиотечный корпус, 1ретий этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15 на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «/£» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.301.06, кандидат технических наук, доцент

Н.В. Руссова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В рыночных условиях хозяйствования любой товар, подлежащий купле-продаже, должен сертифицироваться и иметь качество, удовлетворяющее определённым установочным нормам, регламентируемым государственным стандартом. Электроэнергия - товар, а следовательно на ней имеется стандарт, нормам которого показатели качества электроэнергии (ПКЭ) должны удовлетворять.

Ухудшение ПКЭ вызывает соответственно понижение показателей работы других электроприемников (ЭП), снижение эффективности их использования, в некоторых случаях даже исключает возможность применения того или иного ЭП (не обеспечивается электромагнитная совместимость).

Решение задачи электромагнитной совместимости (ЭМС) при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения (СЭС) затрагивает многие вопросы как в технологическом, научном, проектно-конструкторском, так и в организационном плане. Поэтому оптимизация функционирования СЭС на основе анализа режимов работы основного электрооборудования (ЭО) с учётом требований к качеству электроэнергии (КЭ) и надежности электроснабжения является весьма важным вопросом в энергетической политике настоящего момента.

По вопросам КЭ проводятся систематические совещания и конференции, перерабатываются нормативные документации и ГОСТы, принимаются всевозможные рекомендации и предложения, т.е. вопрос находится постоянно во внимании и динамике. Однако многие выводы и рекомендации на современном этапе не удовлетворяют и не соответствуют возросшим требованиям.

Таким образом, изучение режимов работы ЭП с учетом требований к КЭ и повышение эффективности их эксплуатации, определение ущерба от ухудшения ПКЭ является необходимым для проектирования, расчёта, формирования и эксплуатации электротехнических комплексов и систем при одновременной оптимизации технических и эксалуатационных параметров, т.е. требует системного подхода

В связи с изложенным обоснование методов и разработка мероприятий и технических средств, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации ЭО и оптимизация их режимов работы в зависимости от ПКЭ на основе системного подхода является актуальной задачей.

Объект исследования - электрическое оборудование систем электроснабжения узла с двигательной нагрузкой.

Предмет исследования - влияние качества электроэнергии на режимы работы электрооборудования и эффективность его работы.

Целью работы является разработка теоретических положений и методик оценки влияния отклонения и колебания напряжения на режимы работы электрооборудования узла СЭС с двигательной нагрузкой и рекомендаций снижения ущерба от некачественной электроэнергии для повышения эффективности эксплуатации электротехнических комплексов и систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• в условиях априорной недостаточности и цикличности потока информации при эксплуатации электротехнических комплексов и систем для анализа, прогнозирования, управления их функционирования разработать общие теоретические положения системного подхода;

• установить закономерности воздействия показателей качества электроэнергии, в данном случае отклонения (51Г},) и размаха изменения (колебания) напряжения (8£/,) на режимы работы электротехнических комплексов и систем в узле нагрузки;

• разработать методики оценки влияния 8иуи 5С/, на режимы работы электрооборудования с учётом ущерба от некачественной электроэнергии;

• разработать алгоритмы и технические мероприятия для управления электротехническими комплексами и системами и рекомендации по повышению эффективности их эксплуатации.

J

Методы исследования. Исследования проводились с учётом теоретических положений и законов электротехники, цифровой обработки сигналов, математической статистики и теории вероятности, математического (на ЭВМ) и физического моделирования.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректным использованием математического аппарата, вычислительных программных комплексов, а так же адекватностью применяемых имитационных моделей реальным процессам в системах электроснабжения, сходимостью результатов вычислительных экспериментов с теоретическими положениями.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Теоретические положения системного подхода анализа, прогнозирования и управления функционирования электротехнических комплексов и систем в узле нагрузки с двигательной нагрузкой.

2. Закономерности воздействия отклонения и колебания напряжения на режимы работы электрооборудования в системах электроснабжения.

3. Методики оценки влияния отклонения и колебания напряжения на режимы работы электрооборудования с учётом ущерба от некачественной электроэнергии.

4. Алгоритмы, технические мероприятия по повышению эффективности эксплуатации электротехнических комплексов и систем.

Научная новизна. Основные результаты исследования, обладающие научной новизной, заключаются в следующем:

1. Разработана концепция системного подхода применительно к анализу функционирования электротехнических комплексов и систем при отклонении показателей качества электроэнергии в узле нагрузки, которая позволяет учитывать изменение нагрузки в пространстве и во времени и корректировать ПКЭ в зависимости от ущерба.

2. Установлены закономерности влияния отклонения и колебания напряжения на показатели работы электрооборудования при априорной недостаточности информации и стохастичности изменения нагрузки.

3. Обоснованы принципы и методики оценки влияния показателей качества электроэнергии на режимы работы электрооборудования на основе зависимости ущерба от изменения качества электроэнергии с учётом стоимости конечного продукта производства и математическая структура корректировки данного показателя качества электроэнергии.

4. Разработаны алгоритмы, рекомендации и программы для оценки влияния отклонения и колебания напряжения на режимы работы электрооборудования и решения вопросов повышения эффективности его эксплуатации.

Практическая ценность.

1. Определены наиболее важные области для системного анализа качества электроэнергии и методические подходы корректировки показателей качества электроэнергии с целью повышения эффективности эксплуатации электрооборудования.

2. Разработана методика, позволяющая уже в стадии проектирования СЭС оценить влияние показателей качества электроэнергии на режимы работы электрооборудования и, соответственно, внести коррективы в проекте, что повышает качество выполнения проектных работ.

3. Разработаны алгоритмы расчёта и оценки показателей качества электроэнергии в узле нагрузки систем электроснабжения, которые позволяют оперативно и эффективно корректировать ПКЭ в стадии эксплуатации электрооборудования.

4. Реализована программа имитационного динамического моделирования для оценки влияния 5и, на режимы работы электрооборудования в системах электроснабжения.

5. Разработанные алгоритм и программа управления режимом работы синхронных двигателей, на которые получено свидетельство ВНИИГПЭ о регистрации и внедренные на Чебоксарской ТЭЦ-2, позволяют оперативно управлять потреблением и генерацией реактивной мощности с целью улучшения режимов работы генераторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных (г.Казань, 2008г., г.Тула, 2010г.) и всероссийских научно-технических

конференциях, и в ежегодных научных конференциях ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова».

Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы и используются при управлении СД на Чебоксарской ТЭЦ-2 г. Чебоксары, а также в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» для студентов и магистрантов направления «Электроэнергетика».

Публикации. Содержание диссертационной работы нашло отражение в 13 опубликованных работах, в том числе в монографии «Качество электроэнергии и режимы ее потребления в системах электроснабжения» (Чебоксары, Изд-во ЧГУ, 2010. - 440 е.).

Объём работы и её структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, 38 рисунков, изложенных на 133 страницах и 5-и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, ее актуальность, определены цель, методы исследования, предмет и объект исследований, основные положения, выносимые на защиту, сформулированы новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены теоретические основы анализа влияния отклонения (6Uу) и

колебания (bUt) напряжения на режимы работы электрооборудования в системах электроснабжения (СЭС) в узле нагрузки.

Критически проанализированы существующие нормы ПКЭ и отмечены направления для дальнейшей универсализации и системизации исследований по повышению эффективности работы электротехнических комплексов и систем (ЭТКС).

Подробно рассмотрены нормы, регламентируемые 5 (Jt в ГОСТ 13109-97, и приведено

сравнение с ГОСТ 13109-87. Кривые рис. 1. ГОСТ 13109-97, основанные на чувствительности зрительного анализатора человека, определены без учета характеристик осветительных приборов (ОП), которые в зависимости от мощности ОП имеют различные постоянные времени нагрева.

В настоящее время есть необходимость разработки международных норм и указаний, касающихся ПКЭ, и методов ограничения их отклонения под эгидой МЭК и СИГРЭ. При этом к данному вопросу необходимо подойти с точки зрения определения совместного взаимодействия и взаимного влияния ПКЭ.

Дальнейших исследований и разработок требуют вопросы аналитического расчета ПКЭ в узлах систем электроснабжения и у потребителей. Поддержание напряжения в пределах даже нормально допустимого значения по ГОСТ 13109-97 отклоняется от оптимального режима работы ЭО.

Одним из актуальных является вопрос разработки методов расчета ПКЭ и их прогнозирования на стадии разработки проектной документации, при неполноте информации из-за отсутствия необходимых данных о технологическом процессе, параметров электротехнических устройств и т.п. В этом случае важное значение должны иметь статистические данные, получение которых само по себе требует дальнейших исследований и обширного экспериментального материала.

Ограничение отклонений ПКЭ должно осуществляться комплексно при помощи оптимизационных расчетов с учетом ущерба от некачественной электроэнергии, расходов, связанных с применением устройств для корректировки ПКЭ. Таким образом, проблема повышения ПКЭ имеет техническое, экономическое, метрологическое, стандартизационное и оптимизационное направления, т.е. требует системного подхода.

Во второй главе рассмотрено влияние Ы1у на режимы работы АД, СД, ОП и другие приемники электроэнергии активно-индуктивно-емкостиым характером нагрузки.

Момент максимальных потерь АД по сравнению с вращающим моментом соизмеримо мал. В этом случае справедливо равенство

Мч Р хж о —— -- ,т.е. М =Р ,

М Р

11 ном ном

(I)

где Мс и Мпш - момент сопротивления на валу и номинальный вращающий момент двигателя соответственно; Р и Р„,м - мощности на валу и номинальная мощность двигателя.

Здесь и далее знаком (*) обозначены отношение той или иной величины к номинальному значению этой величины.

Если АД работает с нагрузкой Мс, отличной от номинальной, т.е. с коэффициентом загрузки А"з = Мс/Мкм, при изменении II значение кратности максимального момента к номинальному

Ь определится из выражения:

ъ-и1 *

~к7

(2)

Поскольку справедливо 5 = -

-кр

Ъ +

№

(3)

где - критическое значение скольжения. С учетом того, что 5М„ возможно только при {/=1 и Яз=1, получается:

5 = К-.

Ь+У1Ь2- 1

ь-и2+. [ъи1] -к\

(4)

Если пренебречь вытеснением тока в проводниках на сопротивления и и влиянием насыщения по путям рассеяния на х\ и , то получим формулу расчета потребляемой из сети активной мощности:

Ь +

■¡Г-

р=м=и -Къ

4. » О.

В этом случае приведенный к статарной обмотке ток ротора определится как

Г2 =К3

Ь + 4?

-1

(5)

(б)

ь-иг+Льи2) -К1

и значение

cos<p = ,

b-U2+Á\bU2\ -Kl

lb-UL

(7)

Поскольку sin фц ~ 1 (погрешность не более 1,5 - 2%), то

'п

\2

/ц+^ЫПф'

Г2 COS(p'

(8)

Использование (8) затруднительно в силу неизвестности зависимости /д = ^ .

В электромашиностроении значение . предлагается определить по стандартной характеристике холостого хода, что может вносить существенную погрешность (до 20%). В связи с этим предлагается следующая методика.

В паспортных данных АД приводятся значения /^пом = /^1ном //]ном . Очевидно, при

изменении рабочих параметров и условий эксплуатации АД значение также изменяется на определенную величину Л/^ , т.е. можно написать:

(9)

В (9) знак «+» соответствует увеличению напряжения на выводах АД, а знак «-» - уменьшению.

При этом, чтобы использовать (8), значение Д необходимо выразить через /£ .

Анализ зависимости Д/^ =/

с использованием диаграммы Потье при изменении

величин Къ от 0,5 до 1,0 и Ь от 1,6 до 3,5 показал, что эта зависимость описывается выражением:

/ \

/2 К3

(10)

В дальнейшем с использованием (2)-(10) можно моделировать влияние 5Г/,, на все параметры, характеризующие режимы работы АД.

В общем случае реактивная мощность СД определяется по формуле

б = ЗУф/зтф=ЗС/

¿/лвт 8 ил, сои 5 Ед0са&£>

_зс/ф

Хи • Х„

Х„

XА

о 5 К

сое 25---—соей

и-х.

где 51п5=(/>с-^У(ЗУф-£',о). С учетом того, что соблюдаются условия Рс т = А:3со5ф„,

Рс = Кз- совфном • Яном , получим:

сое8= 1 - МзЕ^СГф)2 -(К3 • СОБФном ' ^ном ' хс!? З^О^ф

(12)

Обозначим: —— = £ _ Тогда относительное значение реактивной мощности 0 двигателя при то-

X *

ЛЧ

ке /.да, определится го выражения:

е=

* ^ -^Пфном

К3 соз(рпои

'чо

(*х-1) + 1/2

(13)

£ С/ -{К3Ха- со5фном)2

Изменение реактивной мощности СД при токе возбуждения, отличном от номинального, определяется отношением (/»- /,«)/(1 -/,0), где До - ток возбуждения СД в режиме работы при

созф=1, т.е. 0 = 0. Приравняв нулю производную —— уравнения (13) и решая относительно тока

си^

/„ получим:

4о -

1 + /Г32 ■^■С052фноц

Ь+х,

(14)

Ч+^'ИПФиом

Согласно (13), в зависимости от тока I, изменяется Еф , поскольку изменяется насыщение магнитной системы. Коэффициент Агм, характеризует степень насыщения при холостом ходе и

токе /в по сравнению с насыщением при токе Отсюда Е

V7-

?0

В этом случае

-

^3C0S(PHQM-Xrf

E

(kx-\) + U2-

~(KjXd-cos<pHOM)

4-4o

i-/,

b0

где все токи возбуждения приведены к номинальному току /„.„„„ . При изменении тока возбуждения выше номинального значение коэффициента к^ изменяется по экспоненциальному закону с постоянной затухания т. При этом значение для каждого типа СД определяется с учетом к^хы . В этом случае получим:

4.НОМ /4х * / *

Т = -

1п к

(16)

JLHOM

Сравнение полученных результатов с результатами, полученными по диаграмме Потье, подтвердило допустимость такого предположения, поскольку расхождение результатов не превышает 7 %. Тогда значение коэффициента кй определяется по формуле:

У'г

Трудность определения кц для явнополюсных машин заключается в различии сопротивлений по продольной и поперечной осям. В нормальном установившемся режиме {/ = 1, /в = 1

левая часть уравнения (15) должна быть равна 1. Тогда решая (15) относительно кц, будем иметь:

^ (.8)

ц.ном

1 I1

*в.ном/ *в

где С = С6+ — А; А = (Xj-cos<|W,)2 -Xj-siníjw, +1 .

В свою очередь,

С(,— Ci +C¡;

Значения Ci и Сг определяются из выражений:

X\Xd 'cos(PHOM)2'(l-^-sin<pH0M)

С, =~А2-1 3

Яг~[-АУ+-— (-A)(kx-l)(Xd-cos%u )2i\-Xd-sm4>iVi )-

Все эти положения составляют основу программ управления режимом работы СД. Активные потери в конденсаторных установках, которые особенно чувствительны к изменению напряжения, определяются выражением Р = tg6 • ßH0M • U2 . Отсюда видно, что активные потери в конденсаторе даже при U = 1,1 увеличиваются в 1,21 раз, что приводит к нагреву

конденсатора выше допустимых пределов. Особенно эти последствия могут оказаться опасными в том случае, если в составе напряжения есть высшие гармонические составляющие. При этом

U2 необходимо заменить на V Un ■ В этом случае, если, например, п = 3 и она составляет

* t *

71=1

10% от первой гармоники, то потери увеличиваются на 63% от номинального, что приводит к очень сильному нагреву и пробою конденсатора.

Используя общеизвестное уравнение электрического баланса ОП можно записать:

UZ=RT,}, (19)

* * ♦

где RT - плотность излучения с поверхности элемента светоотдачи; г„ - сопротивление этого элемента.

Однако при отклонении напряжения от номинального изменяется ток, протекающий по нити накала, а следовательно, и температура нити. Это, в свою очередь, приводит к изменению величин г„ и Rr, т.е. наблюдается априорная недостаточность.

На основе анализа физико-технических характеристик материалов, применяемых в изготовлении элемента светоотдачи были определены зависимости гн и Кг от температуры Т. Расчеты на ЭВМ показали, что в диапазоне изменения ДГв пределах ±300 К, что соответствует отклонению напряжения от 0,85 до 1,15 относительных единиц (o.e.), искомые зависимости описываются уравнениями:

Äf) = r4'702,

t\ =1,17Т- 0,17.

(20)

Подставляя (20) в (19) получим:

(/2 = 1,17Г5'702-0,17Г4'702 , (21)

* * *

Результаты расчета на ЭВМ дали следующие зависимости:

Т = и°>34; Р = и16; ^ = (/3,2Ю. (22)

* * * * * *

где Р- световой поток ЛН.

Зависимости (22), выведенные аналитически, кроме зависимости ,Р = /(У), практически совпадают с приводимыми в научной литературе. Анализ результатов расчета Р показал, что расчет без учета влияния на гя значения Т, дает зависимость от напряжения в степени 3,59868 = 3,6, что и указывается в литературе. Таким образом предложенная методика дает более точные результаты и можно считать, что /■'зависит от напряжения в степени 3,203.

Испарение т, элемента светоотдачи является косвенной мерой срока службы I ОП. На основе анализа этого параметра в зависимости от температуры с учетом приведенной методики получена формула

Результаты расчета имеют некоторое расхождение с данными, приводимыми в других источниках.

Например, при U =1,1 расхождение достигает двукратного значения (в источниках дается 14%). Расчет по разработанной автором методике без учета отвода тепла электродами элемента светоотдачи дал результат 14,22%. Следовательно при расчете t этим фактором нельзя пренебречь.

В третьей главе рассмотрено влияние колебания напряжения на режимы электрооборудования в узле нагрузки СЭС.

Зависимости от колебания напряжения, казалось бы, не отличаются от тех же зависимостей, как и при dUy . Однако, согласно ГОСТ 13109-97, длительность 8Ut составляет от 0,01с

до 1 мин. Вследствие этого рассматривать влияние &U, на ЭО по действующим значениям U , как это можно выполнить для bUу, недопустимо. Предварительные попытки рассматривать моделирование по действующим значениям U не привели к успеху, так как погрешность при этом составляет более 20-30 % даже при изменении 5U, в пределах ± 10%.

Особенно вызвало большие трудности моделирование для двигательной нагрузки, так как запас кинетической энергии ЭКС с применением двигателей зависит не только от параметров двигателя, но и приводимого механизма.

В связи с этим нами была рассмотрена возможность моделирования в среде «MATLAB» с использованием текущего (амплитудного) значения напряжения.

Вследствие этого было принято решение о создании модели для исследования влияния 8U, на режимы работы АД, а в дальнейшем в этой модели изменять АД на соответствующее

При этом было использовано математическое преобразование модели АД из системы А, В, С в а, р, 0 с применением координатного преобразователя «авс->ху». В этом случае функциональный состав модели АД состоит из двух блоков: ФПС - функциональный преобразователь статора и ФПР - то же ротора.

Для учета наводимой в статоре ЭДС в ФПС введен ФПЕ - функциональный преобразователь ЭДС. Модели ФПС и ФПР представляют собой 2-х канальную замкнутую систему с перекрестными обратными связями. В ФПР был введен элемент, учитывающий у = /мех/Ум , где

Лгех и А моменты инерции соответственно приводного механизма и двигателя.

При моделировании для удобства была разработана программа, которая при введении в модель паспортных данных АД (Р„0„, Ulma, s„ sK, па г, cos (р, J,„ /„ - кратность пускового тока) и Jl автоматически рассчитывает необходимые для моделирования значения величин с использованием масштабных коэффициентов и подает их на вход модели.

Уравнение баланса энергии ОП определяется формулой

т. =е

(23)

ЭО.

12П Ж=суУ{Т-Т0) + ~~-ЯгПкП,

(24)

где с - удельная теплоемкость элемента светоотдачи; у-плотность материала; V-объем; Т и Та -температура соответственно элемента светоотдачи и окружающей среды; к = Рг/Р$ - коэффициент, учитывающий отношение мощности потерь к мощности ОП. С учетом (20) будем иметь

5 и}

Л

45

р,„^(1,17-^—0,17)

7,36293 1(ГПГ4'702 . (25)

С использованием этой методики моделирование влияния 5{/, на режимы ЭО с содержанием активно-индуктивно-емкостных приемников не составляет труда.

При моделировании во всех вычислительных экспериментах значение размаха 5С/( изменялось от 10 до 50 % длительностью от 0,01 до 60 с.

В четвертой главе на основе разработанных методик и математических моделей приведены результаты вычислительных экспериментов на ЭВМ и лабораторных исследований влияния Ы]6 и 517, на режимы работы и обоснован принцип регулирования напряжения при его изменении в пространстве и во времени.

Все результаты вычислительных экспериментов обработаны с применением теории вероятностей и математической статистики.

4.1. Влияние 5U¿ на режимы работы ЭО.

Исследование зависимостей М, ¡2 , сскф, 1\ , Рм и 2м от ^ для АД * * * * * * *

проведено при измени от 0,6 до 1,0 при различных Ь (от 1,6 до 3,0). Зависимости Р = приведены на рис. 1.

Л

1,3 1,1 0,9 0,7 0,5

о.е. \ V \ ---- в=1,б в=3,0

К,=0,8\ Ч К1,0

1 \ >

—^

0,8 0,9 1,0 1,1 и,о.е. Рис. 1. Зависимости Р = /\ и при различных значениях К-з и Ъ

Анализ зависимостей показывает, что при и < ити значение 5 изменяется в большей степени, чем при 1!> (/„о», поскольку в (4) влияние подкоренного выражения в знаменателе сказывает-

ся в большей степени. Вследствие этого характеристики в зоне и < 1 имеют большую зону

*

разброса для АД с разными значениями Ь при одном и том же значении величины К].

Зависимости Г2 =/ 64 приведены на рис. 2. Как видно из зависимостей, разброс Г2 * V*) . *

при разных значениях Ъ наблюдается практически только в области Ц < 1 . Причем, с уменьшением Кз зона разброса уменьшается. Из анализа зависимостей также видно, что АД большим

значением Ь к отклонению напряжения менее критичны. /„

1,3 1,1 0,9 0,7 0,5

o.e. \ L\ ---- 6=1,6 <г=3,0

£,=0,8 /С,=1,0

V

K^üfif

0,8 0,9 1,0 1,1 U, o.e.

Рис. 2. Зависимости I2 = f{u j при различных значениях Къ и Ь

Зависимости /j = Д™ случая 'дном =0,5 приведены на рис. 3. Анализ зависимо-

стей показывает, что АД с большим значением b менее критичны к изменению U как в большую, так и в меньшую сторону. При этом уменьшение Къ приводит к смещению точки экстремума в сторону меньших значений U . Независимо от b двигатели более критичны к уменьшению напряжения от i/HO„, чем к его увеличению.

У

1,3

1Д 0,9 0,7 0,5

o.e. ---- 8=1,6 s=3,0

£,=1,0

--

К,=0,6/ 1

0,8

0,9

1,0

1,1

U, o.e.

Рис. 3. Зависимости /j =/ {/ при различных значениях Ki и Ъ для случая /цном =0,5

Анализ результатов эксперимента по определению зависимостей = (Рис-4) по-

казал, что значение Q имеет тенденцию к возрастанию при изменении (/ как в сторону увеличе-*

ния, так и в сторону уменьшения от £/„„„ . Особо отмечается тот факт, что при /<"з >0,8 увеличение напряжения от {/„„„ вызывает возрастание £>м в меньшей степени, чем уменьшение.

а

*

м 1,0

0,9 0,8

Рис 4. Зависимости £?м = /К/ для двигателя с /' =0,6 при различных * V *) * цном

значениях К? и Ь

Таким образом, результаты расчетов и их анализ показывают:

- увеличение скольжения вызывает возрастание тока ротора и увеличение угла сдвига между приведенным током ротора и напряжением сети

- при уменьшении напряжения намагничивающий ток уменьшается, а ток статора, равный геометрической сумме приведенного тока ротора и тока холостого хода, в зависимости от загрузки двигателя и соотношения между намагничивающим током и приведенным током ротора, может увеличиться или уменьшиться;

- при увеличении напряжения скольжение и ток ротора уменьшаются, намагничивающий ток увеличится, а ток статора может уменьшиться или увеличиться в зависимости от загрузки двигателя и соотношения, указанного выше;

- на зажимах асинхронных двигателей при загрузке двигателя 80 % и более целесообразно поддерживать напряжение выше номинального на 3-5 % с применением устройств регулирования напряжения;

- к отклонениям напряжения более устойчивы асинхронные двигатели с большей кратностью максимального момента на валу.

С учетом изложенных во второй главе положений была составлена программа расчета на ЭВМ зависимостей реактивной мощности СД от напряжения на зажимах двигателя, коэффициента загрузки, тока возбуждения и технических паспортных данных. Характерные зависимости для некоторых типов СД приведены на рис. 5 и 6.

Из анализа зависимостей рис. 5 видно, что двигатели с большим значением X,, при отклонениях напряжения от номинального имеют более неблагоприятные характеристики, чем при малом значении Х^ . При этом, отклонения напряжения в сторону увеличения приводят к более резкому увеличению потребляемой реактивной мощности, чем при отклонении напряжения в сторону уменьшения. В общем случае СД с отстающим со5ф„ю, в отношении потребления реактивной мощности ведет себя аналогично асинхронному двигателю.

О

1,4

1Д

1,0

0,8

/ / 'к=о,б „..

✓ / / V >К,=0,8 ч

/ """О- * \Кг 1,0

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 V Рис. 5. Зависимости потребляемой реактивной мощности синхронного двигателя с совфи =0,85 от напряжения при разных Кг Л>=0,5; -----Х^=2,0

б

-0,6

-1,2 -1,4

/ /У/

я3=о,8 ... /^=1,0 7

< ■Ч. ч --- -

у 0,6 — — —

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 и

»

Рис. 6. Зависимости Q = /^¡7^ синхронного двигателя с опережающим

совф = 0,85 при разных К? и X,г- Х,г0,5; —Х*=2,0

Несколько иная картина наблюдается для СД с со5фшм =1,0. Результаты показывают, что в случае, V = 1/шм и Л = /,.яом при снижении ЛГ3 двигатели с большим значением Ха имеют более благоприятные характеристики в части реактивной мощности, отдаваемой в сеть. Изменение (), выдаваемой в сеть, при снижении напряжения существенно зависит от Х,1. Если у СД с Х^ = 0,5 при снижении V до 0,8 значение 2 увеличивается, то у СД с Л",. =2,0 оно постоянно уменьшает-

ся, причем наблюдается почти квадратичная зависимость 0 = /| ¡7 ], аналогично зависимости у статических конденсаторов.

Таким образом с точки зрения влияния уровней напряжения на режимы работы СД более желательным режимом работы является применение СД с большим значением X/, с опережающим сое фном и поддержание уровня напряжения на зажимах двигателя выше номинального до 5%.

С учетом изложенного была разработана программа управления режимом работы синхронных двигателей (с учетом компенсации реактивной мощности), которая приведена в Приложениях 4 и 5 диссертации.

4.2. Влияние 8 и, на режимы работы ЭО

Моделирование влияния б С, на характеристики ЛН согласно разработанной методике осуществлено на ЭВМ. Параметры ОП (ПЛН) при I = 0 соответствуют номинальным значениям.

Анализ результатов моделирования показал, что в зависимости от мощности ЛН, время /,до„ (запаздывание реагирования соответствующих параметров ЛН на 6(7, во времени) находится в диапазоне от 0,02 - 0,025 (Р <25 Вт) до 0,08 (Р >100 Вт) при одном и том же изменении значения 8(7, до 30 % от и„ш. Таким образом, ЛН мощностью 100 Вт и более практически не успевают реагировать на 51/, с частотой повторения более 20 с'. В связи с этим можно сделать вывод, что приводимые в ГОСТ 13109-97 нормативы предельно допустимых значений размахов изменений напряжения (рис. 7) на зажимах ЛН (кривая 1) в зависимости от частоты их повторения в диапазоне с' не до конца обоснованы. Более отвечающей существующему положению представляется зависимость Ы/, А1ЕЕ (США) (кривая 2). Однако и она в диапазоне 6-15 с'1 неудовлетворительная.

Учитывая это, предлагается трансформировать данную зависимость в сторону ужесточения в диапазоне 1-20 с'1 и допущения больших значений 51/, в диапазоне выше 20 с"1. При этом трансформацию кривой необходимо проводить исходя из положения, что значения кратковременной Ря и длительной Рц доз фликера, определяемых как по кривой ГОСТ 13109-97, так и по трансформированной кривой, должны быть одинаковы.

Кривая 3, построенная по этому положению приведена на рис. 7.

С учётом положений разработанной методики было проведено математическое моделирование влияния Ы/, на режимы работы электродвигателей. При этом был собран обширный статистический материал.

На рис. 8 приведены зависимости /,д0„ =АРтк) для системы «электро-двигатель - исполнительный механизм» с у = JtSы|Jli = 2 , где /„« и /„ - моменты инерции соответственно приводного механизма и двигателя при различных Ь и пс, полученные в результате анализа парной корреляции при одном и том же значении 8(/,. Из анализа зависимостей видно, что при одной и той же мощности двигатели с большими значениями Ь и лс более устойчивы к колебаниям напряжения.

Возмущение напряжения, т.е. появление Ы/,, задавалось после полного завершения переходных процессов пускового режима АД.

При анализе результатов моделирования ставилась задача определения допустимого интервала и№п размаха изменения напряжения, при котором еще не наблюдается практическое изменение скорости АД (менее 2-3%). Предполагалось, что является функцией величин Рном ) "с, У-Обширный материал результатов моделирования обрабатывался с применением теории вероятностей и математической статистики.

Рис. 7. Зависимости допустимых размахов напряжения от частоты их повторения: 1 - ГОСТ 13109-97; 2 - А1ЕЕ (США); 3 - предлагаемый вариант

Рис. 8. Зависимости г, =ДР„0„) для системы с у = 2 при различных пс и Ь: 1 - ис = 3000,2 - ис = 1500, 3 - лс = 750 об/мин; - Ъ = 3,0;---6 = 1,6

С целью определения параметров функции /;доп = /(Рлои,Ь,у,пс) были выполнены расчеты по определению множественной корреляционной зависимости, которая описывается по формуле

'/доп = + а2Рном + аЗй + »4а5"с)> с (26)

Расчет коэффициентов корреляции к между ¿¡д0„ и соответственно Рном, £>,у, лс (было проведено всего 1286 экспериментов) дали следующие результаты: г)р = 0,69; ^=0,27; г(7 = 0,43; г„,=0,53.

Тесноту связи при множественной корреляции характеризует коэффициент Л множественной корреляции [2], определяемый по формуле

4+гл+4+г"> - •4 • у^у«

1-г;

рЬуп

где ГрЬуп - произведение коэффициентов парной корреляции между Рта , Ь, у,

Анализ показал, что эта величина практически равна 0. Теоретически это можно объяснить тем, что связи между значениями Р„т, Ь, у, пс нет, что и логично. Расчет й дает результат, равный 0,964.

Для проверки сходимости изложенных теоретических положений с практическими данными были проведены эксперименты на лабораторном стенде.

7 с_

-^-10%

(01

ПК«Р* ■<—3_с_)»1 а

- "" ....... X

2,89 с б

■ Т|

ЦйЯййййй!».—П% в

ой

0«

б'

Рис. 9. Осциллограммы изменения и, и частоты вращения ротора двигателя с данными Л«», =45 кВт; лс=3000"'; «=3,0 (Г равна 4) в зависимости от времени

<М

На рис. 9 приведены осциллограммы изменения Ы1, и частоты вращения ротора двигателя в зависимости от времени. Данные двигателя: Ршы=45 кВт; «с,3000 мин'1; А=3,0 (у равна 4). На рис. 9 обозначены изменение: (а и а0 напряжения во времени с длительностью соответственно 7 и 2,5 с; частота вращения ротора (б и б'), полученные на модели системы; в то же в эксперименте на лабораторном стенде (при длительности возмущения в 2,5 с изменение частоты вращения ротора не наблюдается и на модели и на лабораторном стенде).

Как видно из рис. 9 результаты, полученные на модели и на лабораторном стенде, практически совпадают.

Расчеты показан/, что величина /, ш,„, может изменяться от 0,6 с (двигатель 0,25 кВт) до 7,9 с (двигатель 500 кВт).

Отметим, что при эксперименте не рассматривались колебания напряжения с длительностью Д/ не менее 0,2 с по следующим причинам:

а) изменение частоты вращения двигателя менее указанного интервала наблюдалось только у двигателей мощностью менее 1кВт и то только на холостом ходу, т.е. наблюдается влияние запаса кинетической энергии;

б) из-за наличия погрешности измерений, особенно у датчика частоты вращения вала двигателя, проверить сходимость результатов не представляется возможным практически.

На рис. 10 для сравнения приведены изменения /, доа для двигателя Рт„ =45 кВт, пс = - 1500 об/мин, Ь = 3,0 в зависимости от у.

Результаты показывают достаточную сходимость (максимальное отклонение 10%) экспериментальных данных с теоретическими расчетами.

Моделирование на ЭВМ относительно СД показало, что значение (,дс„ оценивается несколькими минутами. Минимальное значение (и1111 для СД получается при = 4 кВт и составляет 1,8 мин. Согласно ГОСТ 13109-97, изменение напряжения с такой длительностью относится не колебаниям напряжения, а к его отклонению. Можно сделать вывод, что на режимы работы СД одиночные колебания напряжения не влияют.

Моделирование влияния Ы1( на нагрузку с активно-индуктивно-емкостными элементами

не отличается от методики влияния 81/у . При этом разница только в том, что вместо 5I]у в схему подаётся мгновенное (амплитудное) значение 5{/, . Результаты моделирования показали, что //д„, находится в пределах 0,01-0,02 с. В этом отношении приемники с такими элементами более критичны к влиянию 5(7, , чем электродвигательная нагрузка.

0 1 2 3 4 7

Рис. 10. Теоретические и * экспериментальные зависимости

'/дон ~Лу) для двигателя Рн =45 кВт, п =1500 мин"1 и Ь = 3,0

Применяемые в настоящее время устройства регулирования напряжения (УРН) позволяют поддерживать требуемое значение и только в одной определенной точке сети. Эта точка, называемая условной, должна быть выбрана так, чтобы при регулировании напряжения ущерб от отклонения ПКЭ от нормируемых был минимальным. Положение условной точки зависит от нагрузки и изменение этого положения во времени и пространстве происходит по законам случайного процесса. Поэтому и параметры отклонения напряжения, на которые должно реагировать УРН, должны рассматриваться как статистические величины, к которым применимы положения теории вероятности и математической статистики.

Таким образом, расчет ущерба от некачественного напряжения требует определения среднеквадратичного его отклонения, а не среднего значения. Следовательно, при установке УРН для

регулирования напряжения на его вход, как функциональный параметр, должна поступать величина 5(7см, а не среднее значение отклонения напряжения 6СЛ Между ними имеется следующая зависимость

5С;скв=а/(61/)2+о2, (27)

где О - стандартное отклонение, которое можно представить Гауссовым законом.

Исходя из этого, можно представить, что для решения указанной задачи и разработки УРН необходимо применить или управляющие ЭВМ, или специальные устройства на программируемых микропроцессорах, которые бы выдавали дискретно (или непрерывно) значения Ы/са.

Однако определение значения 3(У„, относительно легко можно реализовать в техническом и методическом плане при сосредоточенной нагрузке в конце питающей или распределительной сетей СЭС. При распределенной же нагрузке с учетом изменения напряжения во времени и в пространстве эта задача значительно усложняется.

Если выразить изменение условного напряжения во времени через значения годового потребления энергии множеством п нагрузок (не Л1'), получающих питание по данной сети при всей совокупности N нагрузок СЭС, то получится

= (28) ¿=1 / ¿=1 где Э, - годовое потребление энергии единичной нагрузкой.

Относительное отклонение условного напряжения определяется по формуле

8С/ = (Уу-Уном)/[/ном. (29)

*

Обозначим: Я и Х- активное и реактивное сопротивления схемы замещения СЭС; Ир - параметр, задаваемый системе регулирования для регулирования напряжения источника питания; Р и б - соответственно активная и реактивная составляющие полной трехфазной нагрузки системы; иш - напряжение на системах шин, питающих данную сеть; и - напряжение, поддерживаемое УРН.

В этом случае можно написать:

и=иш{ЯР + ХО)/иты. (30)

Система регулирования должна поддерживать напряжение 17, равным по величине (ити+иР). Подставляя эту величину в (4.20) и обозначив относительное напряжение на шинах как ШшНУш-итнУит« и относительное значение параметра УРН как, АС/Р- УрШном , полу-

8иш = К'Р,Х'в+М/Р. (31)

* и ном *

Условное падение напряжения Д 1/и равно разности значений напряжения на шинах и условного напряжения, т.е.

д и(1=иш-ии,

или в относительных единицах

-аденом- (32)

*

В этом случае значение 511ц из (29) запишется: *

5(/с/=5С/ш-Д[/(/. (33)

Заменив 517„ его значением из (31) получим:

Ши =Д +

ГГ Т1* * * ином ^ном *

В (34) величина ДIIР - постоянная, а остальные члены - случайные величины, которые *

характеризуются средними значениями Р, и А11ц , их стандартными отклонениями <3р.

*

ств, и <3и, коэффициентами парных корреляций п (между Р и Д{/у ), п (между Q и АС/ц ), п

* *

(между Р и 2).

Условием рационального регулирования напряжения является минимальный ущерб от отклонения напряжения. Этому соответствует минимальное значение среднеквадратичного отклонения , определяемое из выражения: *

и:

и:

+2Д иР *

ЯХ

и и

\ " ном и ном

(35)

+2

Ч ном

Рб-

V'

РДС/у --—ед^

и

В этом выражении:

гЧ^+М;

(36)

Величины, определяемые по (27), подставим в (35) с учетом адекватности изменений Р и б в СЭС, вследствие чего/'3=1, а п=гг. Продифференцировав полученное выражение по ДIIр , й, А'

и приравнивая нулю производные, получим:

ДС/р = А1/и~аи-сР-гх

(37)

Анализ (37) показывает, что система регулирования напряжения источников питания должна получить информацию об условном падении напряжения, определяемом его средним

значением Д 11ц , среднеквадратичным отклонением <ти с учетом коэффицие!гга корреляции п *

между средним значением Дии и потребляемой мощностью Р. Если определение двух первых величин реализовать технически относительно несложно, то значение г\ определяется на основе статистических данных экспериментов.

Анализ статистических данных показывает, что даже при достаточно высоких значениях коэффициента корреляции г\ и стандартных отклонений о>, Сту величины А Ни и А1/Р практически

совпадают (разиица не превышает 3%). Таким образом, для задания величины Д Ир необходи-

*

мы более точные сведения (расчет) о статистической величине Д 1!и , измеряемой с достаточной

*

точностью статистическим аналого-цифровым вольтметром. При этом возможны два варианта алгоритмов регулирования напряжения у приемников с использованием:

1) микропроцессорной техники;

2) управляющей ЭВМ.

При разработке этих алгоритмов за базу взята программа расчета напряжений в узлах СЭС по методу узловых напряжений «Режим», разработанная в ЧувГУ, позволяющая оперировать всеми величинами без приведения параметров схемы замещения СЭС к одной ступени напряжения.

В первом случае в программу, заложенную в процессор, вводятся исходные данные по ветвям схемы замещения:

а) нумерация узлов начала и конца схемы замещения СЭС;

б) данные активных и индуктивных сопротивлений проводников по ветвям;

в) коэффициенты трансформации (при наличии трансформаторов).

Кроме того, в процессор постоянно и дискретно (с изменяемым временем дискретности) поступает сигнал АС/р от аналого-цифрового вольтметра.

Расчет напряжений в процессоре производится по узлам, т.е. определяются величины ик , где К - номер узла. Далее процессор сравнивает значения и^АИ? со значением £/„„.,.. Если не выполняется условие (/„„„.<(7х+дг/Рй1,05С/»ои, то выдается сигнал на срабатывание УРН. В противном случае производится блокировка срабатывания УРН.

При применении управляющей ЭВМ возможности системы регулирования напряжения и точность ее работы увеличиваются. В этом случае в программу дополнительно в виде банка данных вводятся:

1) номинальные параметры электроприемников: Р„ш <, соэф,, (при наличии АД - £„„„ „ Ъ,, Пят I; (при наличии СД - Хи, Хч<, 4«ом I. Ля; при наличии КУ - &,,);

2) стоимостные и временные параметры потребления электроэнергии и ее потерь А', К.„ х, тЛ р, £а, £„;

3) статистические данные работы электроприемников К,УО

4) ступени регулирования коэффициента трансформации ±к-,%.

В случае использования ЭВМ имеется возможность подачи сигналов от датчиков тока. Значение г может изменяться от 1 до N. где N - количество электроприемников.

Далее ЭВМ рассчитывает значения ущербов и суммарный ущерб ТУ о, ожидаемую при регулировании напряжения «вверх» или «вниз» от фактического напряжения, сравнивает величины ГУ и1У0 и при условии 1У>1У„ выдает сигнал на срабатывание УРН.

Опробования алгоритмов на моделях СЭС показали их удовлетворительную работу.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В Приложении приводятся копии актов внедрения, алгоритм и программа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ, прогнозирование и управление эффективной эксплуатацией электротехнических комплексов и систем в узле нагрузки систем электроснабжения необходимо провести с учетом величины ущерба от некачественной электроэнергии и изменении напряжения в пространстве и времени, т.е. требуется системный подход.

2. Приведенные в ГОСТ 13109-97 показатели оценки качества электроэнергии не полностью удовлетворяют требованиям на современном этапе, а предельно допустимые размахи изменения напряжения в зависимости от частоты или интервала между изменениями, определенные без учета характеристик осветительных приборов, необходимо скорректировать. Предлагается

ввести новые показатели, учитывающие технические параметры эксплуатируемого электрооборудования.

3. Определены и обоснованы математические модели для исследования влияния отклонения напряжения в узле СЭС с двигательной нагрузкой при различных значениях коэффициента нагрузки, кратности максимального момента и номинальных параметров двигателей и разработана методика исследования, которая, в отличие от существующих, учитывает изменение тока намагничивания в зависимости от напряжения на зажимах двигателя.

4. Обоснована и разработана методика определения реактивной мощности явнополюсных и неявнополюсных синхронных двигателей от напряжения на зажимах синхронных двигателей от напряжения на зажимах двигателей с учетом тока возбуждения и степени насыщения магнитной системы.

5. При априорной недостаточности параметров осветительных приборов выведены и обоснованы уточненные зависимости их показателей от напряжения. Выявлено, что определенные в ГОСТ 13109-97 допустимые отклонения напряжения ± 5 % для осветительных приборов недопустимы, что требует установки для них отдельного источника питания.

6. Обоснонаны и разработаны модели и методики для исследования влияния колебаний напряжения на режимы работы основного электрооборудования.

7. На основе разработанных методик проведены вычислительные и экспериментальные исследования влияния отклонения и колебаний напряжения на режимы работы электротехнических комплексов и систем, результаты которых подтвердили теоретические положения. Асинхронные двигатели и осветительные приборы устойчивы к колебаниям напряжения в течении времени 1,д0„, которое зависит от параметров эксплуатируемого электрооборудования, а синхронные двигатели нечувствительны к колебаниям напряжения.

8. По результатам исследований рекомендуется ввести дополнительный показатель - допустимое время размаха изменения напряжения. Приводимая в ГОСТ 13109-97 формула (стр. 10; Приложение 2) для определения дозы колебаний напряжения должна быть скорректирована с учетом для групп электроприемников, присоединенных к рассматриваемой СЭС. При этом коэффициенты приведения действительных размахов изменений напряжения длительностью менее (,до„ из расчета дозы колебаний напряжения должны быть исключены.

9. Разработаны алгоритмы для управления регулирования напряжения на основе микропроцессоров или управляющей ЭВМ с учетом изменения нагрузки в пространстве и времени и значения ущерба от изменения напряжения.

10. Разработанные алгоритм и программа управления режимом работы синхронных двигателей (свидетельство №2011616495 от 19.0В.2011г. ВНИИГПЭ о регистрации) позволяют оперативно управлять генерацией и потреблением реактивной мощности синхронными двигателями.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в научных изданиях из перечня ВАК МОиН РФ

1. Немцев Л.Г. Моделирование работы электродвигателя при скачках напряжения / А.Г.Немцев // Вестник Чувашского университета,-2011.-№3.-0.96-101.

2. Немцев А.Г. Новые компактные экономичные трансформаторы и теория электрических вихрей / В.В.Казаков, О.В.Казаков, А.Г.Немцев, Г.А.Немцев // Вестник Чувашского университе-та,-2011.-№3.-с.83-93.

Публикации в других изданиях:

3. Немцев А.Г. Программа расчета компенсирующей способности синхронных двигателей (НАЗСОМБРОБШ) (алгоритм и программа) / А.Г. Немцев, И.Н. Степанов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011616495.

4. Немцев А.Г. Качество электроэнергии режимы ее потребления в системах электроснабжения / А.Г.Немцев, Г.А.Немцев // Монография .-Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2010.- 440с.

5. Немцев А.Г. О выборе зоны нечувствительности при компенсации реактивной мощности /А.Г.11емцев, Е.Л.Вострикова // Труды АЭН 4P, -2006, -№1 .-с. 19-21.

6. Немцев А.Г. Выбор оптимального уровня напряжения в СЭС нефтеперерабатывающих предприятий / С.Г. Дерикошма, Е.А.Вострикова, А.Г.Немцев / Сборник научных трудов. Чебоксары,-2005.-с. 96-102

7. Немцев А.Г. Сравнение эффективности компенсации реактивной мощности от разных источников /А.Г.немцев, Е.А.Вострикова // Актуальные проблемы электроэнергетики. Труды НГТУ, том 59,2006 г.-с.223-226.

8. Немцев А.Г. Ущерб от несимметрии и несинусодиалыюсти напряжений в системах электроснабжения / А.Г.Немцев, Л.А.Шестакова// Труды АЭН 4P, -2007, -№2.-с.49-53.

9. Немцев А.Г. Влияние колебания напряжения на режимы работы электродвигателей /Г.А.Немцев А.Г.Немцев, Л.А.Шестакова // Труды АЭН 4P, -2008, -№2.-с. 5-8.

10. Немцев А.Г. О допустимом времени размаха изменения напряжения / А.Г.Немцев // Тезисы докладов международной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань,-2008.

11. Немцев А.Г. Исследование и анализ явлений в среде, окружающей источники электромагнитного поля / В.В.Казаков, О.В.Казаков, Г.А.Немцев, А.Г.Немцев // Труды АЭН 4P, -2009, -№1.-с. 8-20.

12. Немцев А.Г. Влияние колебания напряжения на режимы работы электродвигателей /Г.А.Немцев А.Г.Немцев, A.A. Суптель, Л.А.Шестакова// Труды АЭН 4P, -2009, -№1. -с. 52-59.

13. Немцев А.Г. Основные направления исследований в области оценки качества электроэнергии / А.Г.Немцев /Яезисы докладов Вестник Тульского государственного университета. Выпуск 5. -Тула, 'ГулГУ, 2010. -с.110-111.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: разработка математических моделей для исследования [2,4,11,12], численные расчеты оценки влияния отклонения и колебаний напряжения в системах электроснабжения [4,6,7,8,10,12], разработка алгоритма и программы управления синхронным двигателем [3,4],обоснование и разработка методик исследования влияния отклонения и колебаний напряжения на режимы работы электрооборудования [4,8,12].

Подписано в печать 26.12.2011. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 841.

Чувашский государственный университет

Типография университета 428015 Чебоксары, Московский просп., 15.

61 12-5/1802

На правах рукописи УДК 621.311.4:621,316,1

НЕМЦЕВ Александр Геннадьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УЗЛА С ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель канд. тех. наук, доцент Степанов И.Н.

а*

Чебоксары - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................... 4

Глава 1. Качество электрической энергии в сетях электропотребителей......................................................... 9

1.1. Основные положения..................................................... 9

1.2. Нормирование параметров качества электроэнергии............. 14

1.3. Отклонение напряжения................................................. 17

1.4. Колебания напряжения................................................... 19

Глава 2. Влияние отклонения напряжения на режимы работы основного электрооборудования.......................................... 26

2.1. Характеристики режимов работы электроприемников........... 26

2.2. Влияние отклонения напряжения на режимы работы асинхронных двигателей...................................................... 28

2.3. Влияние отклонения напряжения на режимы работы синхронных двигателей...................................................... • 34

2.4. Влияние отклонения напряжения на режимы работы конденсаторных установок................................................... 41

2.5. Влияние отклонения напряжения на осветительные

приборы.......................................................................... 44

Глава 3. Влияние колебания (размаха изменения) напряжения на режимы работы основного электрооборудования............... 49

3.1. Общие положения......................................................... 49

3.2. Разработка математической модели для исследования колебания напряжения на режимы работы электродвигателей...... 50

3.3. Разработка математической модели для исследования колебания напряжения на режимы работы осветительных приемников...................................................................... 65

3.4. Разработка математической модели для исследования влияния колебания напряжения на режимы работы ЭО с содержанием активно-индуктивно-емкостных приемников............................ 67

Глава 4. Экспериментальные исследования режимов работы электротехнических комплексов и систем............................ 69

4.1. Применение математической статистики и теории вероятности при исследовании показателей качества электроэнергии.............. 69

4.2. Отклонение напряжения................................................. 73

4.3. Колебание напряжения.................................................. 81

4.3.1. Осветительные приемники....................................... 81

4.3.2. Электродвигательная нагрузка................................. 83

4.3.3. Синхронные двигатели............................................. 88

4.3.4. Нагрузка с содержанием пассивных активно-индуктивно-емкостных элементов.................................... 90

4.4. Рациональное регулирование напряжения источников питания 90

Заключение......................................................................ЮЗ

Список литературы.......................................................... 105

Приложения.....................................................................

1. Приложение 1. Акт внедрения результатов работы на ТЭЦ-2....... 115

2. Приложение 2. Акт внедрения результатов работы в учебном процессе ЧТУ................................................................... 116

3. Приложение 3. Свидетельство о регистрации алгоритма и программы «КАБСОМЗРОБЕЧ» ВНИИГПЭ РФ....................... 117

4. Приложение 4. Алгоритм расчета компенсирующей способности синхронных двигателей........................................................118

5. Приложение 5. Программа управления режимом работы синхронных двигателей...................................................... 124

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В рыночных условиях хозяйствования любой товар, подлежащий купле-продаже, должен сертифицироваться и иметь качество, удовлетворяющее определённым установочным нормам, регламентируемым государственным стандартом. Электроэнергия - товар, а следовательно на неё имеется стандарт, нормам которого показатели качества электроэнергии (ПКЭ) должны удовлетворять.

Ухудшение ПКЭ вызывает соответственно понижение показателей работы других электроприемников (ЭП), снижение эффективности их использования, в некоторых случаях даже исключает возможность применения того или иного ЭП (не обеспечивается электромагнитная совместимость).

Решение задачи электромагнитной совместимости (ЭМС) при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения (СЭС) затрагивает многие вопросы как в технологическом, научном, проектно-конструкторском, так и в организационном плане. Поэтому оптимизация функционирования СЭС на основе анализа режимов работы основного электрооборудования (ЭО) с учётом требований к качеству электроэнергии (КЭ) и надёжности электроснабжения является весьма важным вопросом в энергетической политике настоящего момента.

По вопросам КЭ проводятся систематические совещания и конференции, перерабатываются нормативные документации и ГОСТы, принимаются всевозможные рекомендации и предложения, т.е. вопрос находится постоянно во внимании и динамике. Однако многие выводы и рекомендации на современном этапе не удовлетворяют и не соответствуют возросшим требованиям.

Таким образом, изучение режимов работы ЭП с учётом требований к КЭ и повышение эффективности их эксплуатации, определение ущерба от ухудшения ПКЭ является необходимым для проектирования, расчёта,

формирования и эксплуатации электротехнических комплексов и систем при одновременной оптимизации технических и эксплуатационных параметров, т.е. требует системного подхода.

В связи с изложенным обоснование методов и разработка мероприятий и технических средств, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации ЭО и оптимизация их режимов работы в зависимости от ПКЭ на основе системного подхода является актуальной задачей.

Объект исследования - электрическое оборудование систем электроснабжения узла с двигательной нагрузкой.

Предмет исследования - влияние качества электроэнергии на режимы работы электрооборудования и эффективность его работы.

Целью работы является разработка теоретических положений и методик оценки влияния отклонения и колебания напряжения на режимы работы электрооборудования узла СЭС с двигательной нагрузкой и рекомендаций снижения ущерба от некачественной электроэнергии для повышения эффективности эксплуатации электротехнических комплексов и систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• в условиях априорной недостаточности и цикличности потока информации при эксплуатации электротехнических комплексов и систем для анализа, прогнозирования, управления их функционирования разработать общие теоретические положения системного подхода;

• установить закономерности воздействия показателей качества электроэнергии, в данном случае отклонения (шу) и размаха изменения (колебания) напряжения (ш,) на режимы работы электротехнических комплексов и систем в узле нагрузки;

• разработать методики оценки влияния ьиутз. ъи, на режимы работы электрооборудования с учётом ущерба от некачественной электроэнергии;

• разработать алгоритмы и технические мероприятия для управления электротехническими комплексами и системами и рекомендации по повышению эффективности их эксплуатации.

Методы исследования. Исследования проводились с учётом теоретических положений и законов электротехники, цифровой обработки сигналов, математической статистики и теории вероятности, математического (на ЭВМ) и физического моделирования.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректным использованием математического аппарата, вычислительных программных комплексов, а так же адекватностью применяемых имитационных моделей реальным процессам в системах электроснабжения, сходимостью результатов вычислительных экспериментов с теоретическими положениями.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Теоретические положения системного подхода анализа, прогнозирования и управления функционирования электротехнических комплексов и систем в узле нагрузки с двигательной нагрузкой.

2. Закономерности воздействия отклонения и колебания напряжения на режимы работы электрооборудования в системах электроснабжения.

3. Методики оценки влияния отклонения и колебания напряжения на режимы работы электрооборудования с учётом ущерба от некачественной электроэнергии.

4. Алгоритмы, технические мероприятия по повышению эффективности эксплуатации электротехнических комплексов и систем.

Научная новизна. Основные результаты исследования, обладающие научной новизной, заключаются в следующем:

1. Разработана концепция системного подхода применительно к анализу функционирования электротехнических комплексов и систем при отклонении показателей качества электроэнергии в узле нагрузки, которая

позволяет учитывать изменение нагрузки в пространстве и во времени и корректировать ПКЭ в зависимости от ущерба.

2. Установлены закономерности влияния отклонения и колебания напряжения на показатели работы электрооборудования при априорной недостаточности информации и стохастичности изменения нагрузки.

3. Обоснованы принципы и методики оценки влияния показателей качества электроэнергии на режимы работы электрооборудования на основе зависимости ущерба от изменения качества электроэнергии с учётом стоимости конечного продукта производства и математическая структура корректировки данного показателя качества электроэнергии.

4. Разработаны алгоритмы, рекомендации и программы для оценки влияния отклонения и колебания напряжения на режимы работы электрооборудования и решения вопросов повышения эффективности его эксплуатации.

Практическая ценность.

1. Определены наиболее важные области для системного анализа качества электроэнергии и методические подходы корректировки показателей качества электроэнергии с целью повышения эффективности эксплуатации электрооборудования.

2. Разработана методика, позволяющая уже в стадии проектирования СЭС оценить влияние показателей качества электроэнергии на режимы работы электрооборудования и, соответственно, внести коррективы в проекте, что повышает качество выполнения проектных работ.

3. Разработаны алгоритмы расчёта и оценки показателей качества электроэнергии в узле нагрузки систем электроснабжения, которые позволяют оперативно и эффективно корректировать ПКЭ в стадии эксплуатации электрооборудования.

4. Реализована программа имитационного динамического моделирования для оценки влияния на режимы работы электрооборудования в системах электроснабжения.

5. Разработанные алгоритм и программа управления режимом работы синхронных двигателей, на которые получено свидетельство ВНИИГПЭ о регистрации и внедренные на Чебоксарской ТЭЦ-2, позволяют оперативно управлять потреблением и генерацией реактивной мощности с целью улучшения режимов работы генераторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных (г.Казань, 2008г., г.Тула, 2010г.) и всероссийских научно-технических конференциях, и в ежегодных научных конференциях ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова».

Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы и используются при управлении СД на Чебоксарской ТЭЦ-2 г. Чебоксары, а также в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» для студентов и магистрантов направления «Электроэнергетика».

Публикации. Содержание диссертационной работы нашло отражение в 13 опубликованных работах, в том числе в монографии «Качество электроэнергии и режимы ее потребления в системах электроснабжения» (Чебоксары, Изд-во ЧТУ, 2010. - 440 е.).

Объём работы и её структура. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, 38 рисунков, изложенных на 133 страницах и 5-и приложений.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: разработка математических моделей для исследования [2,4,11,12], численные расчеты оценки влияния отклонения и колебаний напряжения в системах электроснабжения [4,6,7,8,10,12], разработка алгоритма и программы управления синхронным двигателем [3,4],обоснование и разработка методик исследования влияния отклонения и колебаний напряжения на режимы работы электрооборудования [4,8,12].

ГЛАВА 1. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЯХ

ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ

1.1. Основные положения

Согласно Постановлению Правительства РФ №1013 от 13.08.97 г. электрическая энергия включена в перечень товаров, подлежащих обязательной сертификации.

Под качеством продукции понимается «совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением», т.е. потребительская стоимость продукции.

Обеспечение качества электроэнергии (КЭ) ведет к повышению эффективности производства. Решение проблемы, естественно, требует дополнительных затрат. Вследствие этого задача приобретает оптимизационный характер. От качества электроэнергии зависят также санитарно-гигиенические условия, степень безопасности работы, экономическая эффективность производства.

Качество электроэнергии оценивается по технико-экономическим показателям с учетом ущерба, причиняемого потребителям и субъектам хозяйствования вследствие порчи материалов, нарушения технологического процесса, ухудшения качества выпускаемой продукции, снижения производительности труда и др., - так называемый, технологический ущерб. Существует еще электромагнитный ущерб, обусловленный увеличением потерь электроэнергии, сокращением срока службы, а то и выходом из строя эксплуатируемого электрооборудования (ЭО), нарушением работы устройств автоматики и т.д.

Качество электроэнергии также тесно связано с надежностью и безаварийностью электроснабжения. Правилами [76] определена ответственность энергосистем за недоотпуск электроэнергии и за отпуск

некачественной электроэнергии на границе балансовой принадлежности электрических сетей энергосистемы и потребителя.

Чтобы качество электроэнергии было измеримым, доступным для контроля и управления, необходима система показателей, которая удовлетворяла бы следующим требованиям:

1.ГЖЭ должны характеризовать в количественном отношении основные свойства электроэнергии.

2. ПКЭ должны нормироваться как вероятностные величины в течении времени, достаточного для получения достоверной информации с требуемой точностью.

3. Следует установить предельно допустимые значения ПКЭ, опираясь на технические и экономические предпосылки с учетом опыта эксплуатации. Причем, оптимальные значения показателей должны находиться в этих пределах.

4. С целью использования ПКЭ в практике проектирования и осуществления метрологического обеспечения их контроля все показатели и способы их нормирования должны быть универсальными.

5. Значения ПКЭ должны нормироваться на зажимах электроприемников.

Ухудшение ПКЭ в основном обусловлено с усилением взаимного влияния различных видов электрооборудования и воздействием нелинейных и ударных нагрузок. Для определения степени взаимного влияния электрооборудования, при котором отсутствуют нарушения нормальной работы и снижение эффективности работы ниже определенного, экономически обоснованного, предела, используют понятие «электромагнитная совместимость».

Проблему электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью в последнее время даже сравнивают с проблемой загрязнения окружающей среды. В свою очередь эта проблема порождает

новые научные и технические проблемы при проектировании и эксплуатации электрических сетей и систем электроснабжения.

Электромагнитная совместимость зависит от особенностей питающей сети. При этом нагрузки могут оказаться несовместимыми даже при значениях ПКЭ, допускаемых нормами.

Так, например, повреждения батарей конденсаторов при перегрузке из-за влияния токов высших гармоник возможны при небольших значения коэффициента несинусоидальности, даже меньших, чем допустимых. Вследствие этого решение задачи корректировки ПКЭ требует учитывать необходимость обеспечения электромагнитной совместимости оборудования.

Анализ нормативных документов разных стран по качеству электроэнергии показывает, что они разнообразны и далеки от совершенства. Если по многим вопросам выработки, передачи и использования электроэнергии существуют нормативные документы, более или менее систематизированные и приведенные к общему мнению под эгидой МЭК и СИГРЭ, то по ПКЭ таких документов практически нет. Поэтому в настоящее время есть необходимость разработки международных норм и указаний, касающихся ПКЭ, и методов ограничения их отклонения. При этом к данному во