Введение и актуальность темы
Соблюдение установленных нормативов
качества электроэнергии является важнейшей задачей системы электроснабжения промышленных предприятий.
Задача усложняется в связи с ростом мощностей электроприемников, работа которых вызывает
ухудшение показателей качества электроэнергии.
Поддержка оптимальных уровней напряжения
на источниках питания и непосредственно возле потребителей имеет большое значение для нормальной
работы электроприемников и электроустановок промышленных предприятий. Отклонение напряжения в ту
или другую сторону от нормированных уровней наносит значительный ущерб. Колебание напряжения приводят
к эффекту фликера, который наблюдается у потребителей с лампами накаливания. Он отрицательно влияет на
зрение человека, значительно ухудшает здоровья и трудоспособность, и как следствие - на производительность
работы.
Современное развитие электрооборудования
промышленных предприятий отличается большим разнообразием электроприемников с неблагоприятными с
точки зрения работы системы электроснабжения характеристиками. Это объясняется увеличенными требованиями
в области усовершенствования и рационализации технологических процессов в промышленности и трудные задачи
при построении рациональной системы электроснабжения.
Проблема качества электроэнергии является многогранной.
Ее рациональное решение это одна из наиболее трудных задач при проектировании электроснабжения. Для систем
трехфазного тока качество электроэнергии характеризуется отклонением и колебанием напряжения и частоты от
установленных норм, несинусоидальностью формы кривой напряжения, а также смещением нейтрали и несимметрией
напряжения основной частоты. Показатели качества электроэнергии во всем должны отвечать требованиям ГОСТ 13109-97
«Нормы качества электрической энергии возле приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения»,
в котором подробно регламентированные нормы качества и допустимые отклонения.
Энергоснабжающая организация обязана снабжать предприятие
электроэнергией на нормированном уравне напряжения и частоты во всех ситуациях, предусмотренных ГОСТ.
Промышленное предприятие вынуждено принимать меры, чтобы показатели качества электроэнергии были в пределах
нормированных величин. Как правило, эти мероприятия нуждаются в значительных дополнительных затратах. Поэтому
в первую очередь должны рассматриваться мероприятия, которые ведут к улучшению качества электрической энергии,
но не нуждаются в изменениях в системе электроснабжения.
Цели и задачи роботы
Целью данной работы является анализ
возможности учета цеховых трансформаторов как мероприятия, которое уменьшает колебание напряжения при
обосновании способов обеспечения качества электрической энергии.
Задачи данной работы:
выбор схемы замещения трансформатора для возможности оценки влияния трансформатора на степень снижения колебаний напряжения;
выбор метода оценки снижения колебаний напряжения.
Постановка вопроса и новизна
На многих предприятиях для осуществления технологического процесса устанавливаются мощные електротехнологические устройства, такие как дуговые сталеплавильные печи (ДСП), что в значительной мере искажают качество электроэнергии (создают колебание напряжения). Они вызываются резкими изменениями тока ДСП, особенно во время расплавления металла. Колебание напряжения ведут к колебаниям освещения, которые отрицательно влияют на трудоспособность и здоровье человека. Применение же специальных технических устройств для уменьшения колебаний нуждается в значительных затратах. Поэтому в первую очередь рассматриваются все возможные мероприятия (схемные, организационные), что можно использовать без обращения к дополнительным капиталовложениям. Есть авторы (например, Салтыкова О. О., Россия) которые считают, что цеховые трансформаторы могут значительно снизить колебание напряжения, но это положение не доказано математически. Поэтому целью данной работы есть попытка подтвердить или опровергнуть эту идею. Исследовать уменьшения колебаний напряжения трансформатором можно с помощью двух способов:
по схеме замещения трансформаторов;
по схеме замещения трансформаторов с учетом низкочастотной модуляции.
Определение АЧФ
Найдем выражение кратности изменения напряжения, т.е. в сколько раз вторичное напряжение на трансформаторе меньше за первичную в относительных единицах при определенной нагрузке. Если на вход трансформатора поступает колебание напряжения с размахом dU1, то на выходе колебания будет иметь размах dU2. Эти розмахи связанные между собой соотношением:
, (1)
где
- амплитудно-частотная функция (АЧФ) трансформатора при частоте колебаний 
.
Схема, которая показывает влияние ДСП на спокойные нагрузки изображенная на рис. 1.
Рисунок 1 - Упрощенная схема сети
Для этого рассмотрим схему замещения трансформатора, изображенную на рис. 2.
Найдем общее сопротивление в операторной форме параллельных ветвей, к которым входит ветвь намагничивания и вторичная обмотка и нагрузки:
После преобразований получим:
Найдем, на сколько процентов трансформатор уменьшает колебание напряжения:
. (2)
Выполним аналогичные операции для трансформатора без намагничивающего контура и найдем разность между двумя полученными АЧХ.
Схема замещения трансформатора без намагничивающего контура изображена на рис. 3.
Рисунок 3 - Схема замещения трансформатора с нагрузкой без намагничивающего контура
В результате преобразований:
. (3)
Для сопоствления АЧХ для трансформатора с контуром намагничивания и без него, найдем относительную погрешность в % по формуле:
.
Максимальная относительная погрешность наблюдается при нагрузке 20 квт, составляет - 0,0608% и не зависит от частоты.
Итак, можно сделать вывод, что разность между АЧФ без намагничивающего контура и АЧФ с намагничивающим контуром трансформатора очень мала, т.е. намагничивающим контуром трансформатора можно презреть, отказаться от схемы с намагничивающим контуром и в дальнейших расчетах использовать схему без намагничивающего контура с соответствующей АЧФ
Полученная АЧФ для трансформатора (3) является справедливой только при чисто активной нагрузке, но оно может быть и реактивным (индуктивным), или даже активно-индуктивным, поэтому необходимо найти выражения АЧФ для этих случаев.
, (4)
, (5)
В результате сравнения АЧФ для индуктивной нагрузки (3) и для активно-индуктивного - (5) максимальная относительная погрешность при нагрузке 100% представляет 0,001892%, и не зависит от частоты . Это разрешает отказаться от (3) и (4), и в дальнейших расчетах трансформации колебаний напряжения использовать только формулу (5).Определение огибающей модулированных колебаний напряжения
Модулированным колебанием
называют
колебание, в котором амплитуда A, частота w, фаза 
или и то и другое вместе
изменяются с течением времени.
Будем рассматривать колебание как огибающую мгновенных значений напряжения 50 Гц. Задачей является, как именно оценить уменьшение колебаний напряжения.
Колебание - это изменение действующих значений напряжения с размахом dU, амплитуда его - dU/2, а амплитуда мгновенных значений в
раз больше:
.
С помощью программного пакету MATHCAD разработана программы для нахождения максимума и минимума огибающей колебаний напряжения U2wa(t).
Уменьшение колебания напряжения можно найти как разность между максимумом и минимумом U2wa(t) и разделить на .
Относительная величина уменьшения колебаний напряжения на стороне НН трансформатора:
.Экономический эффект от уменьшения быстрых изменений напряжения
Определим для обоих способов исследования быстрых изменений напряжения, на какую именно мощность нужно загрузить тот или другой трансформатор, чтобы он уменьшал колебание напряжения на определенную величину.
На рисунке 4 показаны загрузки трансформаторов ТМ-100/10, ТМ-400/10 и ТМ-630/10 при уменьшении колебаний напряжения ими на 1 % с активной нагрузкой за методом схемы замещения трансформаторов.
Рисунок 4 - Загрузка трансформаторов ТМ-100/10, ТМ-400/10 и ТМ-630/10 при уменьшении колебаний напряжения ими на 1% (а) и предельная мощность каждого трансформатора (б) с активной нагрузкой по методу схемы замещения трансформаторов
Как видно из рисунка 4, при активной нагрузке для уменьшения колебаний напряжения на 1% нужно, чтобы трансформатор ТМ-100/10 был загружен на 50%, ТМ-400/10 - на 66,9%, ТМ-630/10 - на 76,5%.
На рисунке 5 показаны загрузки трансформаторов ТМ-100/10, ТМ-400/10 и ТМ-630/10 при уменьшении колебаний напряжения ими на 1% с активной нагрузкой по методу схемы замещения трансформаторов с учетом модуляции.
Рисунок 5 - Загрузка трансформаторов ТМ-100/10, ТМ-400/10 и ТМ-630/10 при уменьшении колебаний напряжения ими на 1% (а) и предельная мощность каждого трансформатора (б) с активной нагрузкой по методу схемы замещения трансформаторов с учетом модуляции
Итак, при активной нагрузке для уменьшения колебаний напряжения на 1% нужно, чтобы трансформатор ТМ-100/10 был загружен на 22,3%, ТМ-400/10 - на 25,5%, а ТМ-630/10 - на 22,1%.Выводы
Вследствие выполнения работы найдены выражения для нахождения параметров трансформатора, АЧХ для разных типов нагрузки. Определено, что при оценке уменьшения колебаний напряжения трансформатором можно использовать упрощенную схему замещения трансформатора (без намагничевающей цепи) из АЧФ, которая разрешает выполнять расчеты для любого типа нагрузки трансформатора. Выполнены расчеты уменьшения колебаний напряжения трансформаторами ТМ-100/10, ТМ-400/10 и ТМ-630/10 за методами схемы замещения трансформатора и с учетом модуляции.
В результате проведенных расчетов и исследования установлены, что трансформатор защищает от колебаний напряжения в сети. При индуктивной нагрузке он защищает лучше, чем при активному почти в 3 раза. При активно-индуктивной нагрузке с одинаковой нагрузкой лучше уменьшают колебание напряжения трансформаторы с меньшей номинальной мощностью, или с большим. При одном конкретной нагрузке для всех трансфоматорів лучше уменьшает колебание напряжения трансформатор с меньшей номинальной мощностью, т.е. трансформатор, который более загруженный. При активной нагрузке лучше всего защищает трансформатор меньшей номинальной мощности, а при индуктивному - наоборот.
Более правильным исследовательский приемом уменьшения трансформатором колебаний напряжения есть метод по схеме замещения трансформатора с учетом модуляции, так как колебание напряжения все-таки должны зависеть от частоты напряжения.
Цеховые трансформатора следует учитывать при выборе мероприятий ограничения быстрых изменений напряжения, т.е. при проектировании систем электроснабжения, так как он тоже уменьшает колебание напряжения на определенную величину при определенной его загрузке. Так, например, при загрузке трансформатора ТМ-100/10 на 50 %, ТМ-400/10 - на 66,9 % и ТМ-630/10 - на 76,5 % из колебание напряжения уменьшаются на 1 %.
Результата работы можно использовать при проектировании систем электроснабжения.
Список литературы
- ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в ситемах электроснабжения общего назначения. – Введ. в Украине с 01. 01. 2000.
- Ермилов А. А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1976.
- Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергия, 1978. – 832 с.
- Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / Под ред. Ю. Г. Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 464 с.
- Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. Ю. Г. Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576.
- Ермилов А. А., Соколов Б. А. Электроснабжение промышленных предприятий – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986 – 144 с.
- Жежеленко И. В. И др. Качество электроенергии на промышленных предприятиях / И. В. Жежеленко, М. А. Рабинович, В. М. Божко. – К.: Техніка, 1981, 160 с.
- Бессонов Л. А., Теоретические основы электротехники: Электрические цепи: Учебник для электротехн., приборостроит. спец. вузов – 8-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1984. – 559 с., ил.
- Шидловский А.К., Куренный Э.Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения. – К.: Наукова думка, 1984. – 273 с.
- Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. – М.: Наука, 1968. – 464 с.
- Flickermeter. Functional and design specification. – Geneva: IEC Report. – 1986. – Publication 868. – 31 p.
- Куренный Э.Г., Ковальчук В.М., Коломытцев А.Д. Оценка качества электроэнергии с использованием моделей объектов // Материалы конференции «Качество электроэнергии в сетях промышленных предприятий». – М.: МДНТП, 1977. – С. 23-29.
- Куренный Э.Г., Дмитриева Е.Н., Чепкасов Ю.И., Коломытцев А.Д., Абу Сиам. Динамические показатели
электромагнитной совместимости // Материалы междунар. науч. конференции «Качество электрической энергии».
– Спала, 1991. – Т. 1. – С. 183-189.
Важное замечание
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2008 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
© 2008 ДонНТУ