автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Способы и средства регулирования напряжения в распредительных и цеховых сетях промышленных предприятий

На правах рукописи

"■■?!! ¿ЗУ

Г1РНЯ РАДЕНКО

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДИТЕЛЬНЫХ И ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03. - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена на кафедре "Элеюроснабжеиия Промышленных предприятий" Московского Энергетического Института (Технического университета)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты.

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.В.ШЕВЧЕНКО

доктор технических наук, профессор Т.Б.ЛЕЩИНСКАЯ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, И.И.КАРТАШЕВ.

Ведущее предприятие.

ОАО Электропроскт Филиал Центральный

Защита диссертации состоится 2000 г. в аудитории М-214 в

/-Атас,рО минут на заседании диссертационного Совета Д-053 16.04 Московского энергетического института (Технического Университета) по адресу: ул. Красноказарменная, д.13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу. 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан

2000.г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д-053.16.04

кандидат технических наук, доцент Родина Л.С.

?т.ш -т., о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Главными задачами проектирования и эксплуатации современных систем электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий является правильное определение электрических нагрузок, рациональные передача и распределение электрической энергии, обеспечение необходимой степени надежности электроснабжения, обеспечение необходимого качества электрической энергии на зажимах электроприемников, обеспечение электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей сетью, экономия электроэнергии и других материальных ресурсов.

Совершенствование существующей и внедрение новой передовой технологии связано с широким использованием мощных полупроводниковых преобразователей, электродуговых печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электроэнергии в электрических сетях.

Уменьшить это влияние можно путем создания и промышленного освоения быстродействующих многофункциональных средств компенсации реактивной мощности, улучшающих качество электроэнергии сразу по нескольким параметрам и одновременно способствующих снижению потерь электроэнергии в элементах электрических сетей.

Поэтому разработка перспективных регулируемых устройств компенсации реактивной мощности с высоким быстродействием и улучшенными технико-экономическими характеристиками является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка и создание комбинированного источника реактивной мощности для цеховых сетей промышленных предприятий

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие

задачи:

проведена классификация средств регулирования напряжения п электрических сетях;

проведены анализ и сравнительная оценка компенсирующих устройств различных типов для цеховых сетей;

предложена схема комбинированного компенсирующего источника (ККИ) реактивной мощности;

разработан алгоритм регулирования мощности реактора и переключения ступеней конденсаторной батареи;

проведено физическое моделирование элементов предлагаемого ККИ:

создан макетный образец предлагаемого ККИ;

проведены экспериментальные исследования источника в установившемся режиме и при переходных процессах.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы, принятые в теории электрических ценен, электротехнике, полупроводниковой электронике, а также положения оснон электроснабжения, применялось теоретическое и физическое моделирование.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов. Справедливость теоретических положений подтверждена результатами экспериментальных исследований на специально созданном макетном образце и совпадением теоретических и опытных данных.

Научная новизна работы заключается в следующем: предложена классификация способов и средств регулирования напряжения в цеховых сетях трехфазного тока;

предложен критерий сравнения источников реактивной мощности; разработана схема комбинированного компенсирующего источника (ККИ) реактивной мощности, работающего по специальному алгоритму; предложена система управления с позиционным регулированием, обеспечивающая получение астатических характеристик регулирования реактивной мощности;

предложены критерии для определения быстродействия датчиков уровня напряжения и скорости переключения позиций комбинированного компенсирующего источника; - полученный предел регулирования напряжения в цеховой сети в пределах ±1%, позволяет минимизировать потери электрической энергии в распределительной сети предприятия от передачи реактивной мощности;

Основные практические результаты.

1. Предложен принцип многоступенчатого регулирования генерируемой ККИ реактивной мощности при минимальном числе конденсаторных батарей.

2. Выработаны рекомендации по конструктивному выполнению элементов ККИ, обеспечивающие меньшие массу и габариты, а также потери мощности в элементах устройства.

3. Создан макет ККИ мощностью 75 кВА на напряжение 380 В.

4. Разработаны принципиальная и функциональная схемы системы управления ККИ.

5. Получены экспериментальные данные, подтверждающие эффективность разработанного ККИ: пределы изменения напряжения сети при работе ККИ ±1%, практически плавное регулирование реактивной мощности (16-ти

позиционное), высокое быстродействие при переключении 40 квар/с, относительные потери в ККИ 7кВт/квар, массогабаритный показатель 12 кг/квар.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались

на 18-ой научно-технической конференции "Актуальные проблемы •электроэнергетики" (г. Нижний Новгород, 1908г.);

на Всероссийской научно-технической конференции "Электропотребдепие. энергоснабжение, электрооборудование" (г. Оренбург, 19УУг.); на научно-технических семинарах кафедры Электроснабжения промышленных предприятий МЭИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ Материалы диссертации использовались п 2-х отчетах по научно-исследовательским работам.

Структура и объем работе. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Список литературы насчитывает 69 наименований. Общий объем 145 страниц, из них 84 страниц машинного текста, 46 рисунка на 45 страницах, 8 таблиц на 7 страницах, список литературы на 7 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследований и дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу существующих способов и средств регулирования напряжения в электрических сетях. Рассмотрены основные показатели качества электрической энергии по напряжению и влияние на их значения различных факторов, обусловленных режимами работы как электрической сети, так и нагрузки.

Проведен анализ существующих и перспективных способов и средств регулирования напряжения и предложена их классификация (рис.1). Рассмотрена эффективность работы компенсирующих устройств, показано, что в цеховых сетях наиболее целесообразно регулирование напряжения осуществлять за счет изменения потерь напряжения в элементах сети путем регулирования потоков реактивной мощности компенсирующими устройствами.

Рис.1. Классификация способов и средств регулирования напряжения

Построены регулировочные крипые реактивной мощности компенсирующего устройства для разных коэффициентов мощности нагрузки, на основании которых можно построить принцип управления КУ.

Во второй главе проведен анализ источников реактивной мощности, используемых в системах электроснабжения промышленных предприятий. Рассмотрены достоинства и недостатки каждого из них.

Показано, что по сравнению с синхронными двигателями и компенсаторами конденсаторные батареи КБ имеют существенные преимущества. К тому же КБ могут быть размещены в любой точке сети.

Поэтому конденсаторные батареи КБ как источники реактивной мощности используются на промышленных предприятиях как п распределительной сети (6-10 кВ), так и в цеховых сетях на напряжениях 660 В и

Проведена оценка эффективности регулирования напряжения конденсаторными батареями.

При регулировании напряжения за счет изменения потоков реактивной мощности одновременно происходит снижение потерь мощности. Снижение этих потерь будет зависеть от степени компенсации реактивной мощности нагрузки компенсирующими устройствами.

Если электрическую сеть промышленного предприятия представить в виде эквивалентных сопротивления и мощности нагрузки Рэ и С}э, то потери мощности в такой сети будут равны

реактивной мощности.

Соответственно с потерями мощности появляются и потери электрической энергии. Расчеты показали, что потери энергии за счет реактивной нагрузки соизмеримы (практически равны) с потерями энергии от чисто активной нагрузки.

При установке нерегулируемой КБ для компенсации реактивной мощности С}-,, потери АР" могут быть уменьшены, но в разной стененн п зависимости от выбранной мощности КБ -<3ку.

380 В.

и) [и) ' (1)

где АР - потери от передачи активной мощности, АР ' потери от передачи

а)

Л1'

б)

Рмлк( ! 2

ДР'У

а)

N=3

JjJJ>J*^^

^-пТП

Омах. ^

ДР

ЛР млк,- = Г 0мАХ11 г, Д1>

-ср -г}

Д Г" микс

ДР\

Рис. 2. Потери мощности и С'Х'

Гак как компенсирующие установки создаются на базе косинусных конденсаторов, то они могут регулироваться только ступенчато, поэтому при установке конденсаторных батарей встает вопрос о числе ступеней регулирования и их мощности.

Если КБ нерегулируемая, т.е. КУ состоит из одной ступени, N=1, и если принять, что реактивная мощность нагрузки (ЫО меняется линейно от нуля до некоторого максимального значения Рэ.М1ге (рис. 2) и может принимать в этом интервале мощности любые значения с одинаковой вероятностью, то максимальное значение потерь активной мощности в электрической сети ог передачи реактивной мощности будет равно

/ и/тн

а среднее

л/>" О2 (3)

л/"' = '. {мл! - Улит. V

"'•' 1 ~ 12 П1 "

3 1 ш тм

При введении N равномерных ступеней регулирования п компенсирующем устройстве средние потери от нескомпенсированной реактивной мощности уменьшаются и будут равны

(4)

ш'и*

ном

Таким образом, при N равномерных ступенях регулирования компенсирующего устройства потери от некомпенсированной реактивной мощности уменьшатся по сравнению с нерегулируемым компенсационным устройством в Ы2 раз

Из выражения (5) следует, что уже при 5 ступенях регулирования потери энергии составят не более 4 % от потерь энергии при нерегулируемом компенсирующем устройстве, то есть уже в этом случае можно считать, что регулирование практически плавное. В то же время величина ступени регулирования будет определяться шкалой мощности выпускаемых промышленностью косинусных конденсаторов. В настоящее время это около 25 квар на одну банку трехфазных конденсаторов, применяемых в компенсирующих устройствах.

Третья глава посвящена особенностям работы компенсирующих устройств на основе конденсаторных батарей.

Рассмотрены основные типы компенсирующих устройств с КН.

Базовой для всех схем является нерегулируемое КУ, в котором конденсаторы соединены по схеме треугольника (реже в звезду) и постоянно подключены на шины ТП.

Другой широко используемой является схема КУ со ступенчатым регулированием генерируемой реактивной мощности за счет переключения , 9 конденсаторов со схемы "треугольник" на схему "звезда".

При больших мощностях нагрузок и их неравномерном графике используют КУ с регулированием реактивной мощности за счет переключения конденсаторов ступенями.

Чем больше ступеней регулирования у такого компенсирующего устройства, тем естественно, выше его эффективность, но усложняется система управления. На практике у таких КУ число ступеней не превышает 3. Для плавного регулирования реактивной мощности используют КУ, в которых нерегулируемая КБ включена параллельно с реактором. За счет фазового регулирования тиристоров, включенных последовательно с реактором, реактивная мощность последнего <)|. плавно изменяется.

При этом мощность реакторов должна равняться полной мощности конденсаторов, т.е. реактивная мощность компенсирующего устройства по существу удваивается - это, естественно, его недостаток. Другой недостаток - это генерирование регуляторами индуктивности высших гармоник тока в сеть электроснабжения.

Но несмотря на эти два недостатка, эта схема получила широкое распространение, так как позволяет плавно регулировать реактивную мощность и обладает высоким быстродействием.

Для уменьшения недостатков, имеющих место в выше перечисленных схемах компенсирующих устройств возможны их сочетания (комбинации), где параллельно работают реактор и конденсаторная батарея со ступенчатым регулированием емкостей. В этом случае возможны два принципиально разных режима работы устройства. В первом режиме регулирование КБ осуществляется ступенями, а мощность реактора I, равна половине мощности ступени конденсаторов.

При этом число ступеней регулирования увеличивается в два раза по сравнению с числом ступеней конденсаторной батареи.

Схема позволяет осуществлять достаточно плавное регулирование реактивной мощности, при относительно малой мощности реактора О1., и, следовательно, небольших потерь энергии в нем

Q _ .«« (6)

2N '

Во втором режиме мощность реакторов L равна мощности одной ступени конденсаторов и изменяется с помощью тиристорного регулятора. В такой схеме обеспечивается плавное регулирование реактивной мощности, необходимое быстродействие и к тому же мощность реакторов в N раз меньше и так же в N раз меньше значения высших гармоник тока генерируемых регулируемой индуктивностью.

Для сравнения рассмотренных компенсирующих устройств на базе конденсаторных батарей введен по аналогии с коэффициентом полезного действия любого устройства коэффициент эффективности,

N N N Ы /"7\

о 1д/;+1дя% (')

у _ Углист- j__1_ 1 > I_

Г; Q '

ТСКУ.ШКС \fkVXUhT VKYMAKX'

где Оку,м»кс~^ку - полная мощность компенсирующего устройства, Qmakc-максимальная реактивная мощность нагрузки, ^ ЛР,- суммарные средние потери активной мощности в элементах компенсирующего устройства, £ ДР"СР-суммарные средние потерн активной мощности в цеховой сети от нескомпенсированной реактивной мощности нагрузки.

Было проведено сравнение основных типов источников реактивной мощности, имеющих в своем составе конденсаторные батареи, по ряду параметров, в том числе и по коэффициенту эффективности. Сравнение источников рассматривалось при использовании их с цеховым трансформатором ТМ мощностью 250 квар при напряжении 380 В. За базовую мощность конденсаторной батареи была взята мощность 150 квар. Результаты расчетов приведены в таблице 1, из которой следует, что лучшие показатели имеют схемы №5 и №6. При этом только шестая схема может обеспечить максимальное быстродействие поскольку в ней мощность реакторов регулируется плавно.

Проведенные исследования показали, что непосредственно в цеховых низковольтных сетях быстродействующие регулируемые источники реактивной мощности пока не нашли применения, хотя как раз здесь находятся основные потребители реактивной мощности.

Поэтому для цеховых сетей был предложен новый источник реактивной мощности.

Сравнение различных типов КУ

Таблица I.

.V" Характеристика КУ Мощ-ность. Кввр Масса, кг Потери мощности, кВт Кэф Регулирование Коэффициент несинусоидальности по Ток\ Примечание

С L С L I L В коммутирующих Элемен тах В СУ и защите В за-водс-кой сети, х Ю- '

1 Нерегулируемое компенсирующее устройство. 75 180 ISO 0,150 625 0.989 Отсутствует 0

Переключение с тре-Уагольника на звезду И 5,0 300 300 0,1 0.300 156 0.9% 2 ступе ни 0 Переключение осуш. контактором

з Переключение ступенями (3 ступени) 150 360 360 0.06 0.450 69 0,996 3 ступе ни 0 Переключение ос\ш. контакторами

4 СТК 150 150 360 400 760 1,632 0.61 0,450 0 0.SS2 Плавное быстрое 0.072 Управление типи-сторачи

5 Комбинированная Ступенчатая 150 25 360 75 435 0.300 0.61 0.450 Р,4 0.995 Плавное 0 —

6 Комбинированная о Плавным регулированием ¡50 50 360 150 510 0.480 0,61 0.450 0 0.993 Плавное быстрое 0.024

в с

- СУ

лв

© 6

сш

и

Рис. .V Принципиальная схема комбинированного компенсирующего источника

реактивной мощности

За основу предлагаемого источника реактивной мощности была принята комбинированная схема №5 (табл.1). Принципиальная схема комбинированного компенсирующего источника ККИ представлена на рис. 3. Конденсаторная батарея имеет три ступени регулирования (С^г-СД в каждой из которых конденсаторы соединены в треугольник и подключаются к трехфазной сети через токоограничивающие реакторы Ц и тиристорные ключи УБр Причем тиристорные ключи располагаются только в двух фазах, что позволяет уменьшить потери мощности в устройстве коммутации конденсаторной батареи на одну треть. В этом заключается одно из отличий предлагаемого ККИ от схемы №5. Вторая особенность ККИ заключается в том, что реакторы Ь источника с последовательно включенными тиристорными регуляторами У32 соединены по схеме треугольника. Мощность реакторов Ь равна мощности одной ступени КБ.

Третья особенность предлагаемого источника заключается в разработанном алгоритме регулирования реактивной мощности. Регулирование производится небольшими ступенями, переключение которых осуществляет

система управления. Изменяя угол открытия тиристоров в регуляторе УЯг, можно получить 4 ступени реактивной мощности, потребляемой компенсирующими реакторами источника, равные 25, 50, 75 и 100% мощности одной ступени конденсаторной батареи. Ступени конденсаторной батареи включаются последовательно: одна, две шш три и в каждом случае регулируется мощность реакторов от 100 до 25 %, а в последнем до нучя (рис.4.).

При таком алгоритме включений реакторов и конденсаторов получаем 16-ти ступенчатое регулирование, что дает практически плавное регулирование

I

С)

, = 0,0039 * 0 16г

Для исследования работы предложенной схемы ККИ была разработана конструкция и собран макетный образец источника мощностью 75 квар.

Для обеспечения работы силовой схемы макета разработана система управления СУ, обеспечивающая алгоритм переключения конденсаторов и реакторов в ККИ в соответствии с рис.4. Регулирование реактивной мощности источника осуществляется ступенями иод контролем датчика уровня напряжения. Каждой ступени соответствует ~ 6,3 квар мощности.

Процесс регулирования для случая понижения напряжения иллюстрируют диаграммы на рис 5, где иКО - кривая напряжения сети, и20) -кривая выходного сигнала датчика уровня напряжения и и,„2 импульсы, вырабатываемые генератором импульсов.

Условия работы системы управления ККИ Т</V,-

М = Щ (8)

Ли<2В

- где Т - постоянная времени датчика уровня напряжения, Л1 и I- - период и частота работы генераторов импульсов, Д1) - изменение напряжения на выходе датчика уровня при изменении на одну ступень регулирования.

Для обеспечения точности регулирования напряжения сети в пределах +/-1% был разработан однофазный датчик уровня напряжения (ОДН) с постоянной времени в пределах одного периода.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям предложенного комбинированного компенсирующего источника.

Прежде всего необходимо было обеспечить надежность коммутации ступеней конденсаторной батарей с помощью тиристорных ключей. Для этого была разработана схема управления ключами, обеспечивающая переключение конденсаторов в момент отсутствия разности напряжений на ключах.

> 4

ЕЕ

~5<Г

5: ~ъ—г

......

«т .......----к

N

Таблица включений ККИ

4

ь % 100 1 75 50 25 100 75 50 25 100 75 50 25 100 75 1 50 25 0

С1 I + + + + + + + + + + ! + + +

С2 + + + + + + + +

СЗ 1 + + + + +

О квар -25 : -19 -12,5 -6 0 6 12,5 19 25 31 37,5 44 50 56 62.5 69 75

Ноыер позиции 1 ; 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Рис. 4 К определению числа и мощности ступеней регулирования

•л

Снятые осциллограммы покачали правильность работы схемы и практическое отсутствие переходного процесса при включении.

Были проведены экспериментальные исследования датчика уровня напряжения, которые показали, что характеристика датчика линейна во всем диапазоне регулирования напряжения сети. Постоянная времени не превышает одного периода и размах выходного сигнала датчика лежит к пределах 1 ,.*> В.

Исследовалась работа макета в целом.

Проверялась работа источника при включении его в трехфазную сеть 380 В и осуществлялся контроль реактивной мощности потребляемой или генерируемой при переключении позиции регулирования. Результаты измерений с достаточной точностью совпадают с расчетными данными.

С помощью электрического секундомера было проверено время прохождения 16 степеней. Оно составило 0,35 секунды при регулировании реактивной мощности от - 25 квар до 75 квар и 0,34 секунды при регулировании в обратном порядке от 75 квар до -25 квар, что подтвердило также правильность настройки системы управления.

Испытания макетного образца подтвердили расчетные параметры, сложенные в схему и конструкцию регулируемого источника реактивной мощности, предлагаемого к использованию в цеховых подстанциях промышленных предприятий.

Были исследованы переходные процессы в схеме источника при переключении с одной ступени на дрлчую.

Наблюдалось поведение ККИ и всей системы в целом при включении и отключении нагрузки. На рис. 6 в качестве примера приведена осциллограмма изменения напряжения питания и выходного сигнала ОДН при включении нагрузки. Как следует из этой осциллограммы, процесс протекает спокойно и соответствует процессу, изображенному на рис. 5.

Неоднократное включение и отключение на1рузки, в том числе и индуктивной, а также пуск асинхронного двигателя не вызывают колебаний и перерегулирования.

Таким образом, можно считать, что принятая ступенчатая система управления компенсационным устройством себя оправдала и регулирование происходит астатически.

л) Г)

»)

в)

25 В {

5Í5JÍ78999

АЛЛА

и™ Ui

и,о)

4 В

Рис. 5. Диаграммы работы СУ ККИ

5 В ■

wo

20 В

Щ|)

20 нс

Рис. 6. Осциллограммы Ui(t) и Uj(t) при изменении нагрузки

ЗАКЛЮЧЕНИИ

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в

данной работе позволяют сделать следующие основные выводы.

1. На основании анализа литературы предложена классификация способов и средств регулирования напряжения в электрических сетях.

2. Проведенные исследования показали, что в цеховых сетях наиболее целесообразно регулирование напряжения осуществлять за счет изменения потерь напряжения в элементах сети путем регулирования потоков реактивной мощности компенсирующими устройствами.

3. Анализ применяемых в промышленности источников реактивной мощности показал, что они не полностью удовлетворяют их применению в цеховых сетях промышленных предприятий. Они относительно дороги, не полностью компенсируют (или наоборот, перекомпенсируют) реактивную мощность нагрузки от цеховых потребителей. Автоматический перенос схем СТК, применяемых на высокое напряжение также неприемлем, так как такое устройство имеет относительно большие потери энергии и является источником высших гармоник тока.

4. Предложена схема комбинированного регулируемого источника реактивной мощности для применения в цеховых подстанциях. Сочетание управляемого тиристорами небольшого реактора и трех ступеней емкости позволило свести к минимуму вышеперечисленные недостатки ранее применяемых схем источников реактивной мощности. Соединение управляемых реакторов в треугольник, при последовательно соединенных тиристорных регуляторах и реакторах в одном плече, позволило резко уменьшить основную треть гармоник тока, генерируемого устройством в сеть.

5. Создан макетный образец комбинированного компенсирующего источника на 75 квар, 380 В, обеспечивающего практически плавное регулирование реактивной мощности от -25 квар до +75 квар.

6. Применение системы управления с позиционным регулированием реактивной мощности, генерируемой источником, позволило получить астатические характеристики регулирования с быстродействием более 40 квар/с, что достаточно практически для всех потребителей цеховых сетей.

7. Экспериментальные исследования в основном подтвердили преимущества от применения комбинированной схемы и позиционного регулирования.

8. В качестве датчика уровня напряжения, если необходимо раздельное регулирование каждой фазы, целесообразно использование схемы с компенсацией пульсаций выпрямленного напряжения. Постоянная времени

регулирования в этой схеме не превышает 1 периода тока промышленной частоты.

9. Проведенные исследования переходных процессов в компенсационном устройстве при скачкообразных изменениях напряжения показали, что они происходят спокойно без колебаний, следовательно, тактовая частота генераторов импульсов в 50 Гц и соответствующая ей скорости переключения позиций выбраны правильно. Регулирование пост астатический характер.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Прня Р. Способы и средства регулирования напряжения и распределительных и цеховых сетях промышленных предприятий. - М.: Деп. в Информэлектро 14.01.2000, №1-ЭТ2000, 1999-34 с,

2. Прня Р., Чехов В.И. Качество напряжения - новое в решении проблемы компенсации реактивной мощности. - М.: Электротехника, №4, 1999, с32.

3. Липгард C.B. Прня Р., Шевченко В.В. О переключении степеней компенсирующего устройства с помощью тиристорных ключей. - М..: Деп. в Информэлектро 14.01.2000, №2-ЭТ2000, 1999 - 25 с.

4. Родина Л.С., Прня Р. Моделирование статических тиристорных компенсаторов (СТК) для анализа режимов системы электроснабжения (СЭС). Нижний Новгород 1998 г.: Тез. докл. XVIII научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики". - Нижний Новгород, НГТУ, 1998. С.39-40.

5. Прня Р., Хевсуриани И.М.. Шевченко В.В., Эффективное устройство регулирования уровня напряжения в цеховых сетях промышленных предприятий: Тез. докл. Всерос. Научно-технической конференции "Электропотребление, энергоснабжение, электрооборудование". - Оренбург, 1999. С. 104-106.

6. Родина JI.C., Прня Р. Моделирование статических тиристорных компенсаторов (СТК) при исследовании переходных режимов.: Тез. докл. XVIII научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики". - Нижний Новгород, НГТУ, 1998. С.38-39.

Печ. л. /£5 . Тираж/00_Заказ /ffi

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

ВВЕДЕНИЕ

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ.

Качество электрической энергии и задачи его обеспечения.

Факторы, влияющие на уровень напряжения в электрических сетях

Способы регулирования напряжения.

Эффективность работы компенсирующих устройств в цеховых сетях

Выводы по голове 1 V

ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВНОЙ мощности в сэс ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ.

Использование синхронных компенсаторов и двигателей для регулирования напряжения

Преимущества и недостатки конденсаторных батарей при регулировании напряжения

Размещение компенсирующих устройств в системе электроснабжения промышленного предприятия

Эффективность регулирования напряжения конденсаторными батареями.

Выводы по голове

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ КОНДЕНСАТОРНЫХ БАТАРЕЙ.

Основные типы компенсирующих устройств с конденсаторными батареями.

Коэффициент эффективности компенсирующих устройств

Разработка принципиальной схемы комбинированного компенсирующего источника

Создание макетного образца ККИ

Разработка системы управления макета ККИ.

Разработка датчика уровня напряжения.

Выводы по главе

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОЕО КОМПЕНСИРУЮЩЕГО ИСТОЧНИКА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Обеспечение надежности коммутации конденсаторов

Экспериментальные исследования датчика уровня напряжения

Исследование работы силовой схемы макета источника

Исследование переходных процессов в источнике реактивной мощности

Выводы по главе

Главными задачами проектирования и эксплуатации современных систем электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий является правильное определение электрических нагрузок, рациональные передача и распределение электрической энергии, обеспечение необходимой степени надежности электроснабжения, обеспечение необходимого качества электрической энергии на зажимах электроприемников, обеспечение электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей сетью, экономия электроэнергии и других материальных ресурсов /1,2,3/.

Выполнение этих задач осуществляется входящими в состав электрических сетей воздушными и кабельными линиями электропередачи, различными токопроводами, трансформаторными подстанциями, распределительными устройствами и коммутационными пунктами, электроустановками, генерирующими реактивную мощность, средствами регулирования напряжения и устройствами для поддержания качества электрической энергии.

Совершенствование существующей и внедрение новой передовой технологии связано с широким использованием мощных полупроводниковых преобразователей, электродуговых печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электроэнергии в электрических сетях /4/.

Уменьшить это влияние можно путем создания и промышленного освоения быстродействующих многофункциональных средств компенсации реактивной мощности, улучшающих качество электроэнергии сразу по нескольким параметрам и одновременно способствующих снижению потерь электроэнергии в элементах электрических сетей. 5

Ввод источников реактивной мощности приводит к снижению потерь в максимуме нагрузки примерно на 0,1 кВт на каждый 1 квар вводимой реактивной мощности 151.

Регулирование реактивной мощности компенсирующих устройств, устанавливаемых в электрических сетях, позволяет поддерживать напряжение в узлах электрической сети и на зажимах приемников электроэнергии в пределах, допускаемых стандартами на качество электрической энергии.

Необходимость ограничения допустимых пределов отклонений напряжения на приемниках электроэнергии, при которых обеспечивается эффективное их использование и удовлетворяются требования надежности работы (достаточный срок службы приемников), требует регулирования напряжения.

Таким образом, необходимость увеличения ввода в эксплуатацию компенсирующих устройств и средств регулирования режимом по напряжению и реактивной мощности обусловлена требованиями улучшения качества электроэнергии и оптимизации режимов электрических сетей (т.е. снижением потерь мощности и электроэнергии).

Поэтому разработка перспективных регулируемых устройств компенсации реактивной мощности с высоким быстродействием и улучшенными технико-экономическими характеристиками является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка и создание комбинированного источника реактивной мощности для цеховых сетей промышленных предприятий

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи: проведена классификация средств регулирования напряжения в электрических сетях; 6 проведены анализ и сравнительная оценка компенсирующих устройств различных типов для цеховых сетей; предложена схема комбинированного компенсирующего источника (ККИ) реактивной мощности; разработан алгоритм регулирования мощности реактора и переключения ступеней конденсаторной батареи; проведено физическое моделирование элементов предлагаемого ККИ; создан макетный образец предлагаемого ККИ; проведены экспериментальные исследования источника в установившемся режиме и при переходных процессах.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы, принятые в теории электрических цепей, электротехнике, полупроводниковой электронике, а также положения основ электроснабжения, применялось теоретическое и физическое моделирование.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов. Справедливость теоретических положений подтверждена результатами экспериментальных исследований на специально созданном макетном образце и совпадением теоретических и опытных данных. Научная новизна работы заключается в следующем: предложена классификация способов и средств регулирования напряжения в цеховых сетях трехфазного тока; предложен критерий сравнения источников реактивной мощности; разработана схема комбинированного компенсирующего источника (ККИ) реактивной мощности, работающего по специальному алгоритму; предложена система управления с позиционным регулированием, обеспечивающая получение астатических характеристик регулирования реактивной мощности; предложены критерии для определения быстродействия датчиков уровня напряжения и скорости переключения позиций комбинированного компенсирующего источника; 7 полученный предел регулирования напряжения в цеховой сети в пределах ±1%, позволяет минимизировать потери электрической энергии в распределительной сети предприятия от передачи реактивной мощности;

Основные практические результаты.

1. Предложен принцип многоступенчатого регулирования генерируемой ККИ реактивной мощности при минимальном числе конденсаторных батарей.

2. Выработаны рекомендации по конструктивному выполнению элементов ККИ, обеспечивающие меньшие массу и габариты, а также потери мощности в элементах устройства.

3. Создан макет ККИ мощностью 75 кВА на напряжение 380 В.

4. Разработаны принципиальная и функциональная схемы системы управления ККИ.

5. Получены экспериментальные данные, подтверждающие эффективность разработанного ККИ: пределы изменения напряжения сети при работе ККИ ±1%, практически плавное регулирование реактивной мощности (16-ти позиционное), высокое быстродействие при переключении - 40 квар/с, относительные потери в ККИ-7кВт/квар, массогабаритный показатель -12 кг/квар.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на 18-ой научно-технической конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики" (г. Нижний Новгород, 1998г.); на Всероссийской научно-технической конференции

Электропотребление, энергоснабжение, электрооборудование" (г. Оренбург, 1999г.); на научно-технических семинарах кафедры Электроснабжения промышленных предприятий МЭИ. 8

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Материалы диссертации использовались в 2-х отчетах по научно-исследовательским работам.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Список литературы насчитывает 69 наименований. Общий объем 145 страниц, из них 84 страниц машинного текста, 46 рисунков на 45 страницах, 8 таблиц на 7 страницах, список литературы на 7 страницах.

Выводы по главе 1

1. На основании проведенного анализа литературы предложена классификация способов и средств регулирования напряжения в электрических сетях.

2. Рассмотрены факторы, влияющие на уровень напряжения в электрической сети, и показано, что для распределительных и цеховых сетей основными являются режим работы нагрузки, конфигурация схемы СЭС, потери реактивной мощности.

3. Проведенные исследования показали, что в цеховых сетях наиболее целесообразно регулирование напряжения осуществлять за счет изменения потерь напряжения в элементах сети путем регулирования потоков реактивной мощности компенсирующими устройствами.

4. Построены регулировочные кривые реактивной мощности компенсирующего устройства для разных коэффициентов мощности нагрузки, на основании которых можно построить принцип управления КУ.

Ткл I 1