Введение
Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) является одним из основных требований к системам электроснабжения. Завышение оценок ЭМС приводит к необоснованному увеличению капиталовложений, а занижение – к ущербу от дополнительных потерь электроэнергии, снижения срока службы электрооборудования, ухудшения качества продукции. В связи с этим высокие требования предъявляются к обоснованности и точности методов оценивания ЭМС как на стадии проектирования, так и в эксплуатации систем электроснабжения.
Проблема ЭМС в определенном смысле аналогична проблеме охраны окружающей среды: возрастание мощностей электроприемников и интенсификация режимов их работы приводят к искажению параметров электрической энергии, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на режимах работы других электроприемников сети. Обеспечение ЭМС связано со значительными затратами, обусловливающими высокие требования, предъявляемые к точности и обоснованности методов оценки ЭМС в сетях электроснабжения.
Задачи обеспечения ЭМС решаются на стадии проектирования и в эксплуатации, что требует создания методов расчета и измерения показателей ЭМС – величин количественно характеризующих свойства ЭМС.
Актуальность
Практическая актуальность заключается в том, что объективная оценка позволяет обоснованно выбирать средства для стабилизации (ЭМС) и оценивать влияние помех на электрооборудование.
Обычно показатели ЭМС рассчитываются без учета динамических свойств трансформаторов, хотя их инерционность оказывает сглаживающее воздействие на помехи. Разработка методики оценки ЭМС с учетом трансформаторов обуславливает научную актуальность.
Предложенная динамическая модель трансформатора для оценивания его влияния на ЭМС, отличается тем, что исследуются мгновенные значения напряжения на выходе и входе трансформатора.
Практическая ценность заключается в том, что предложенная методика позволяет учесть инерционность трансформаторов при оценке ЭМС.
Цель работы
Целью работы является разработка динамической модели трансформатора и оценка его влияния на ЭМС.
Основные задачи исследований:
- разработать методику, позволяющую учитывать инерционность трансформаторов;
- представить динамическую модель трансформатора.
Содержание работы
В литературе [1] есть две схемы замещения трансформатора: с последовательным (рис.1, а) и параллельным (рис.1, б) сопротивлением в ветви намагничивания. При этом исходим из неизменности сопротивлений в ветви намагничивания. Межвитковые емкости не учитываются, так как частотный диапазон не превышает значения 10000 Гц.
Для анализа существующих схем замещения были проведены исследования, описанные в [2]. По их результатам был сделан вывод, что при анализе процессов изменения мгновенных значений напряжения в трансформаторе необходимо использовать схему замещения с параллельным соединением элементов в цепи намагничивания, а при задании колебаний действующими значениями напряжения – схемой с последовательным соединением.
б - с параллельными сопротивлениями в ветви намагничивания
Также было определено, что в общем случае целесообразно применять схему замещения с идеальным трансформатором [3].
При проведении исследований анализировались амплитудо-частотные характеристики (АЧХ) трансформатора по представленным схемам.
Предполагается заменить трансформатор RC-звеном, так как вид их переходных функций h(t) – близкий к экспоненциальному. Такая замена удастся существенно упростит расчеты.
Оценка влияния гармоник на трансформатор.
Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь на гистерезис и потерь, связанных с вихревыми токами в стали, а так же потерь в обмотках. Сокращается также срок службы изоляции.
Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в преобразовательном трансформаторе, так как наличие фильтра, присоединяемого обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоники тока в трансформаторе. Поэтому требуется устанавливать большую мощность трансформатора. Наблюдаются также локальные перегревы бака трансформатора.
Отрицательный аспект воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке.
Функция выходного напряжения u2(t) , будет иметь вид:
где n – номер гармоники.
Оценка влияния отклонений напряжения на трансформатор.
Отклонение напряжения – отличие номинального значения от его фактического напряжения, которое находится в установленном режиме работы данной системы электроснабжения.
Отклонение напряжения в данной точке сети обычно происходит под действием нагрузки, которая соответствует её графику.
Воздействие отклонения напряжения на работу технологических установок: когда уровень напряжения снижается, ухудшается тех процесс, а также увеличивается его длительность. Поэтому достаточно сильно увеличивается себестоимость производства. Когда повышается напряжение – снижается период службы оборудования и увеличивается вероятность аварий. Когда имеются значительные отклонения напряжения может произойти срыв тех процесса.
Принято записывать одноминутные отклонения, а это достаточно медленно. В результате искажений практически не наблюдается.
Влияние колебаний напряжения на трансформатор.
Колебания напряжения — быстро изменяющиеся отклонения напряжения длительностью от полупериода до нескольких секунд. Они происходят под воздействием быстро изменяющейся нагрузки сети.
Источниками колебаний напряжения являются мощные электроприёмники с импульсным, резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощности: дуговые и индукционные печи; электросварочные машины; электродвигатели при пуске.
Отклонения напряжения, усугублённые резкопеременным характером, ещё более снижают эффективность работы и срок службы оборудования. Вызывают брак продукции. Способствуют отключению автоматических систем управления и повреждению оборудования. Так, например, колебания амплитуды и, в большей мере, фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателя, приводимых механизмов и систем. В частности, это ведёт к снижению усталостной прочности трубопроводов и снижению срока их службы. А при размахах колебаний более 15 % могут отключаться магнитные пускатели и реле.
Искажения кривой напряжения могут быть вызваны как внешними, так и внутренними причинами. Внешние искажения обусловлены несинусоидальостью ЭДС генераторов электростанций, а также мощными нелинейными нагрузками на соседних предприятиях. Источниками внутренних искажений являются мощные электроприемники с нелинейными вольт-амперными характеристиками (тиристорные преобразователи, ДСП, насыщенные магнитные системы и др.). При экспериментальных исследованиях учитывается совместное воздействие внешних и внутренних искажений. В проектировании напряжение источника питания считается неискаженным [4].
Поскольку электроэнергия передается на частоте f=50 Гц, процесс изменения текущих значений напряжения естественно представить в виде суммы двух компонент: синусоидальной uf(t) с частотой 50 Гц и несинусоидальной
,
которые будем называть синусоидой и помехой.
Вопрос выделения синусоиды является ключевым для трактовки самого понятия несинусоидальности. Рассмотрим вначале случай периодической помехи с длительностью цикла 
с, которая накладывается на синусоиду
,
с несущей угловой частотой 
.
В проектировании, когда задан график помехи, легко реализуются обе трактовки несинусоидальности. В действующих сетях выделить синусоиду можно, если кривая напряжения имеет четко выраженные неискаженные участки синусоиды. На этих участках определенные любым парам ординат параметры синусоиды остаются неизменными. Несинусоидальная компонента определяется как разность между синусоидой и помехой. При отсутствии неискаженных участков задача выделения синусоиды не имеет точного решения. В связи с этим необходимо оценивать влияние на электрооборудование всего процесса u(t) или в качестве несинусоидальной компоненты ориентировочно принимать сумму высших гармоник, если помеха периодична. Несоответствие между несинусоидальной компонентой и суммой высших гармоник наглядно проявляется, если периодическая помеха имеет длительность цикла, отличающуюся от 0,02 с.
Обычно длительность tf целое число m раз укладывается на интервале разложения, поэтому основная квазигармоника имеет частоту в m раз меньшую 50 Гц. При решении задач необходимо учитывать все квазигармоики, а не только с частотами, кратными 50 Гц. В противном случае оценка ЭМС будет существенно занижена – тем больше, чем больше m отличается от единицы.
Наличие колебаний напряжения принципиально усложняет задачу, так как модуляция сигнала 50 Гц приводит к искажению синусоиды даже при отсутствии источников помех с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Например, если в сети наблюдаются гармонические колебания напряжения с размахом и частотой λ Гц, то мгновенные значения напряжения определяются следующим образом при U=UН=1, т.е. 
:
,где 
- коэффициент модуляции, 
,с – период колебаний.
Направление дальнейших исследований
В дальнейшем планируется на основе предложенной методики разработать динамическую модель трансформатора, оценить его влияние на ЭМС, а также определить инерционность трансформаторов.
При написании данного реферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2011 года.
Литература
- Кулик Ю.А. Электрические машины / Ю.А. Кулик. – М.: Высшая школа, 1971. – 456 с.
- Коваленко А.A., Куренный Э.Г. Выбор схем замещения трансформатора для анализа колебаний напряжения //Электротехника, электроника и микропроцессорная техника. - 2011.
- Курінний Е.Г., Дмитрієва О. М., Коваленко А.О. Динамічна модель трансформатора для оцінювання електромагнітної сумісності //Праці ДонНТУ (Інформаційний збірник). - 2010.
- Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения. – Донецк: «Норд-пресс», 2005. - с.157.
- ГОСТ 30372-95. Межгосударственный стандарт. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. – Введ. 01.01.1997.
- ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Введ. в Украине с 01.01.2000.
- Куренный Э.Г., Ковальчук В.М., Коломытцев А.Д. Оценка качества электроэнергии с использованием моделей объектов. – В кн.: Качество электроэнергии в сетях пром. предприятий. Материалы конференции. – М.: МДНТП, 1977. – С. 23-29.
- Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях. – К.: Наукова думка, 1985. – 268 с.
- Шидловский А.К., Куренный Э.Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения. – Киев: Наукова думка, 1984. – 271 с.
- Куренный Э.Г. Метод парциальных реакций для анализа процессов на выходе линейных фильтров в моделях электромагнитной совместимости / Э.Г. Куренный, А.П. Лютый, Л.В. Черникова // Электричество, 2006, № 10. – С. 11-18.
- CEI/IEC 61000-4-15. Electromagnetic compatibility – Part 4, Section 15: Flickermeter – Functional and design specification. 1997.
- Курінний Е.Г. Доза флікеру при періодичних коливаннях напруги / Е.Г. Курінний, О.М. Дмитрієва, В.О. Топчій // Праці Інституту електродинаміки Нац. академії наук України, 2009, вип. 22. – С. 123-129.