UKR | FRA | ENG | ДонНТУ >> Портал магистров ДонНТУ

Топчий Оксана Александровна

Факультет электротехнический

Специальность: электротехнические системы электропотребления

Тема магистерской работы:

Расчет доз фликера напряжения при периодических колебаниях нагрузки

Научный руководитель: Куренный Эдуард Григорьевич

Материалы по теме выпускной работы: Автобиография| Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание

Автореферат

Цели и задачи

Сети электроснабжения должны проектироваться таким образом, чтобы резкопеременные нагрузки не вызывали бы недопустимых колебаний напряжения. В стандартах [1, 2] на электромагнитную совместимость (ЭМС) нормируются допустимые размахи колебаний напряжения в функции частоты. Кроме кривых колебаний нормируется доза фликера (ДФ) Pst , которая является универсальным показателем ЭМС. Кривые колебаний дают точное решение лишь для периодических изменений в форме меандра. Для периодических колебаний другой формы рекомендуемые в [1] методы расчета не обеспечивают совпадение получаемых результатов с оценкой допустимости колебаний напряжения по дозе фликера. В связи с этим требуется разработать метод расчета доз фликера при изменениях напряжения любой формы.

Актуальность работы

В нормальных условиях в сети распределения электроэнергии возникают быстрые колебания напряжения, вызываемые подключением и отключением различных нагрузок. Кроме того, существует такое оборудование, потребляющее электроэнергию, где электрический ток расходуется неравномерно, его расход меняется в зависимости от этапов рабочего цикла Подобные нагрузки приводят к возникновению повторяющихся во времени колебаний питающего напряжения. Вполне естественно, что на практике эти колебания стараются ограничивать, удерживая их в таких пределах, чтобы не создавать неудобства для пользователей электрической энергии.
Прибор, потребляющий электроэнергию и наиболее чувствительный к колебаниям питающего напряжения,- это лампа накаливания, и не потому, что подобные колебания вызывают в ней какое-либо повреждение, а потому, что в силу колебаний питающего напряжения в этой лампе возникают колебания освещенности, которые могут причинять опасность тому, кто пользуется электрическим освещением. Из сказанного ясно, какое важное значение имеет разработка научно обоснованных методов расчета доз фликера напряжения при периодических колебаниях нагрузки. Этому вопросу уже давно уделяется большое внимание.

Планируемый практический результат

Универсальным объективным показателем допустимости колебаний есть доза фликера Pst напряжения. В действующих электрических сетях доза измеряется фликерметром, а в проектировании – расчетным путем. В ГОСТ 13109-97 рекомендуются приближенные методы расчет а лишь для частных случаев детерминированных колебаний прямоугольной и треугольной формы – к тому же с существенными ограничениями интервалов времени между соседними колебаниями. Разработка общего метода оценивания без ограничения по виду колебаний является целью работы.

Обзор исследований и разработок по теме

Что же такое «фликер» ? «Фликер» по-английски означает «мигание» и определяется как субъективное ощущение флюктуаций освещенности. Поскольку фликер – это восприятие человеческим мозгом световых флюктуаций, осуществляемое через посредство физиологических механизмов зрения, то ясно, что дла того, чтобы охарактеризовать подобное субъективное восприятие, необходимо не только исследовать поведение человеческого глаза с целью определения его реакции на световые раздражители, но приступить также к испытаниям на людях, проводимым с применением статистических методов.
Будучи субъективным, фликер представляет собой явление, меняющиеся от индивида к индивиду, причем не только в отношении силы ощущения, но также и в том, что касается степени испытываемого неудобства.
И действительно, результаты исследований, проведенных на людях, показали, что человеческое зрение представляет собой сложную систему, которая зависит не только от характеристик самого глаза, но также и от мозговых механизмов восприятия. Например, субъект, совершенно не подозревающий о возможности существования флюктуаций освещения, как правило, оказывается менее чувствительным к их возникновению, чем ранее предупрежденный наблюдатель, который ждет появления подобных флюктуаций.
Результат работ, проведенных специалистами по физиологии, показали, что человеческий глаз характеризуется избирательной реакцией по отношению к частоте периодических световых флюктуаций с максимальной чувствительностью примерно на частоте 9 Гц, а также что степень восприятия светового раздражения прямо пропорциональна квадрату амплитуды этих флюктуаций.
Кроме того, существует еще эффект накопления в памяти. В силу этого эффекта происходит следующее: если два следующих одно за другим колебания освещенности слишком близко во времени, то для человеческого глаза невозможно воспринять их по отдельности: они воспринимаются человеком как одно единственное колебание.
И наконец, в пределах разумного приближения, ощущение фликера зависит от относительной амплитуды колебания по сравнению с существовавшей до этого освещенностью, если учесть механизмы адаптации человеческого глаза (например, регулировку диаметра зрачка) к освещенности окружающей среды.
Положение вещей еще больше осложняется, если перейти от анализа восприятия к анализу помехи или степени неудобства, которое вызывает колеблющееся освещение у субъекта, подверженного его воздействию. Действительно, уже одна только интуиция подсказывает, что то дело, которым занимается субъект, представляет собой факторы первостепенного значения для определения его реакции. Например, человек, который читает или во всяком случае совершает какие-то операции, требующие особой сосредоточенности, где зрение играет превалирующую роль, вне всякого сомнения будет испытывать большее неудобство, чем те люди, которые должны просто перемещаться в каком-то помещении, не обращая особого внимания на характеристики этого помещения.
Поскольку для разработки международного фликерметра нужно было выбрать какую-то определенную модель зрительного восприятия, то поэтому возникла необходимость обратиться к исследованиям в области физиологии, которые позволили бы прийти к не слишком сложному решению и одновременно с этим использовать опыт, накопленный во Франции, Германии и Англии, где уже были разработаны в национальном масштабе как фликерметры, так и методы определения резкости фликера.
В бывшем Советском Союзе фликерметр был впервые разработан на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий ДонНТУ и на кафедре Электроснабжения Горьковского политехнического института, который был более обоснован, так как фликермодель строилась с учетом физиологии зрения, основывалась на результатах объективной оценки, на экспериментальных данных.
Таким путем были разработаны утонченные модели, оказавшиеся, однако, слишком сложными для того, чтобы использовать их для создания прибора, предназначаемого для постоянного применения в работе.
Рашбасс разработал новую модель, основываясь на эксперименте, задуманном в совершенно ином духе. Он использовал колебания освещенности, имеющие форму импульсов, как положительных, так и отрицательных по отношению к средней освещенности окружающего пространства, и получил основополагающие результаты:

• продолжительность возбуждения, возникающего в восприятии, значительно превышают продолжительность того изменения освещенности, имеющего форму импульса, которое вызывает это возбуждение (импульсы, слишком близкие во времени, не воспринимаются по отдельности);
• знак изменения освещенности (в сторону увеличения или уменьшения) не оказывает никакого влияния на чувствительность восприятия ;
• если два следующих один за другим импульса имеют амплитуды соответственно А и В, то такая же степень ощущения достигается в случае последовательности В, А;
• связь ощущения с амплитудой возбуждения – квадратичного типа.

Результаты измерения фликера выражаются “на единицу”; при этом равным единице считается такой выходной сигнал, который дает прибор, когда на его входе имеет место флюктуация, соответствующая порогу восприятия. Таким образом, уровень фликера – это число, которое показывает, насколько выше (или ниже) порога восприятия находится соответствующее зрительное ощущение.
Однако степень мгновенного ощущения фликера еще не дает информации, касающейся его допустимых пределов; чтобы определить связь между изменением мгновенного ощущения фликера и связанным с ним неудобством, раздражением, называемым “степенью резкости фликера” и обозначаемым символом Pst, необходим дальнейший анализ. В качестве опорного интервала был выбран десятиминутный промежуток времени.[4]
Идентичность результатов расчета любого показателя электромагнитной совместимости (ЭМС) обеспечивается, если измерительный прибор и методы расчета используют единую математическую модель ЭМС. Для определенности далее рассматривается принятая в [1] и [2] математическая фликер-модель системы лампа – глаз – мозг

Колебания и доза фликера напряжения

Универсальным показателем допустимости колебаний напряжения является доза фликера напряжения, которая оценивает дополнительное утомление человека от колебаний освещенности, вызванных изменениями действующих значений напряжения в частотном диапазоне до 35 Гц.

Структурная схема фликер-модели (рис. 1) включает в себя:

Рисунок 1 - Структурная схема фликер-модели

(Анимация состоит из 10 кадров с задержкой в 80 мс между кадрами; количество циклов воспроизведения ограничено 10-ю)

- входной блок БВ, в котором из напряжения выделяются колебания;
- взвешивающий фильтр ВФ, моделирующий лампу и реакцию Y(t) зрения и мозга человека на колебания освещенности в о.е.;
- блок КСИ квадратичного инерционного сглаживания, который моделирует зрительное ощущение Sз в (о.е.)2, отражающее утомление человека;
- блок ПЭ вычисления показателя ЭМС, в котором рассчитывается доза фликера[5]
В схему ВФ входят следующие звенья: колебательное с коэффициентом передачи k = 1,74802 и постоянными времени Т1 = 0,015418 с, Т2 = 0,017385 с; дифференцирующее с параметром Т2; инерционные с Т3 = 0,12989 и Т4 = 0,007267 с; форсирующее с Т5 = 0,069811 с.
Передаточная функция ВФ
Eqn1

Знаменатель представляет собой многочлен четвертого порядка. Это означает, что входной процесс и реакция ВФ связаны между собой линейными дифференциальными уравнениями четвертого порядка с постоянными коэффициентами. После ВФ имеется пропорциональное звено с коэффициентом передачи kY = 16 о.е./(%)2, который переводит размерность реакции из % в о.е. (на рис. 1.2 это звено не показано).
В блок КСИ помимо квадратора входит инерционное звено с постоянной времени Т6 = 0,3 с.
В блоке ПЭ за каждые 10 мин строятся упорядоченные диаграммы Р(Е) процесса зрительного ощущения, где Р – уровни процесса S(t), а осью абсцисс являются интегральные вероятности Е в %.
Кратковременная (десятиминутная) доза фликера рассчитывается по эмпирической формуле Eqn2

Долговременная (двухчасовая) доза фликера вычисляется по формуле стандарта [1]
Eqn3

Допустимое значение для кратковременной дозы равно 1,38, а для требующих зрительного напряжения работ равно 1. Соответствующие нормы для длительных доз меньше: 1 и 0,74.
Параметры ВФ находились эмпирически – путем опроса человека о реакции на колебания освещенности. В опытах использовалась ЛН мощностью 60 Вт и напряжением 230 В. По результатам опытов была идентифицирована передаточная функция (1). Это значит, что нормы сетевых стандартов являются условными, так как они относятся к «стандартной» ЛН 60 Вт, которых может и не быть в осветительной сети, где измеряется доза фликера. Для того, чтобы учесть фактические источники света было предложено передаточную функцию ВФ определять по формуле
Eqn4

где

– передаточные функции фактической и стандартной ламп.
В частных случаях прямоугольных и гармонических колебаний нормируются кривые колебаний – зависимости допустимых размахов колебаний от частоты. По смыслу любая точка на кривой соответствует допустимому значению дозы. Далее будем использовать дозу колебаний, как универсальный показатель, тем более, что в осветительных сетях колебания идеализированной формы не встречаются.

Метод «парциальных реакций»

В моделях ЭМС ВФ обычно являются линейными системами. Процессы в фильтрах описываются линейными дифференциальными уравнениями, порядок n которых может быть большим. Нахождение аналитического решения таких уравнений затруднено как при детерминированных, так и при случайных помехах.
В таких случаях даже при n=2 целесообразно использовать метод парциальных реакций, суть которого заключается в том, что фильтр заменяется эквивалентной системой, которая состоит из n параллельно включенных инерционных звеньев первого порядка. Парциальная реакция каждого звена определяется очень просто, а искомое решение сводится к суммированию парциальных реакций.
Выражение передаточной функции фильтра является сложным, поэтому целесообразно представить фильтр в виде n параллельно включенных инерционных звеньев первого порядка (рис. 2). Этот прием позволяет легко определить «парциальные» реакции y(t) каждого звена на входное воздействие, а затем их суммировать.[3]

Рисунок 2 – Преобразованная структурная схема фильтра

Краткое изложение собственных результатов, имеющихся к моменту завершения работы над авторефератом

На данном этапе магистерской работы было получено аналитическое решение задачи о ДФ при прямоугольных колебаниях, которое разрешает получить допустимые кривые колебаний с разными , а не только .
Реакция ВФ должна определяться решением дифференциального уравнения четвертого порядка. С этой целью применим метод парциальных реакций (ПР) [3], согласно которому ВФ представляется в виде четырех параллельно соединенных инерционных звеньев. Для определения их параметров найдем полюса передающей функции ВФ: Eqn7

, что разрешает найти коэффициенты передачи: Eqn10

и частоты среза Eqn13

, где

. Парциальные реакции инерционных звеньев являются известными, поэтому искомая реакция равняется сумме ПР.
Найдем периодическое решение относительно реакции ВФ на прямоугольное колебание. Начальная и конечная ординаты каждой ПР рассчитываются по формулам:
Eqn17

где

На первом участке ПР изменяется от Eqn23

, а на втором – от Eqn24

. Реакции определяются формулами (2.57) с [5]. Суммирование ПР дает конечное выражение:
Eqn26

где время отчисляется от начала отрезков.
После определения реакции ВФ, она возводится в квадрат и пропускается сквозь инерционное звено с постоянной времени 0,3 с , т.е. через блок КСИ. Определением ДФ по процедуре, которая описана в [1, 2], была найдена зависимость ДФ от размаха и частоты колебаний. Подставив в нее допустимое значение ДФ, которое равняется единице, найдем кривые допустимых колебаний функции частоты (рис.3). Кривая колебаний с [2] совпадает с рассчитанной кривой при kз = 0,5. По всей видимости, в зоне частот ниже, чем 3 Гц допустимые колебания почти не зависят от коэффициента заполнения. При больших частотах колебания тем меньше действуют на человека, чем меньше коэффициент заполнения. В этих случаях использование кривых со стандартов дает значительное завышение оценок ЕМС.

Рисунок 3 - Кривые допустимых колебаний в функции частоты

Таким образом, полученное аналитическое решение задачи относительно ДФ прямоугольных колебаний разрешает усовершенствовать нормы [1, 2] путем введения к этим стандартам кривых из рис.3.

Выводы.

1. Понятия размахов и частот колебаний в подавляющем большинстве случаев не отражают существа задачи, поэтому оценку допустимости колебаний напряжения следует производить по дозе фликера напряжения.
2. Расчет характеристик реакций фильтра фликерметра целесообразно выполнять по предлагаемому методу парциальных реакций.
3. Действующий ГОСТ 13109-97 в части оценки колебаний напряжения требует доработки: уточнения областей применимости кривых колебаний и совершенствования методов расчета.

Важное замечание

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение : декабрь 2009. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Литература

1. 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 [Электронный ресурс]http://epicentre.com.ua/doc8734.htm
2. CEI/IEC 61000-4-15. Electromagnetic compatibility – Part 4, Section 15: Flickermeter – Functional and design specification. 1997.
3. Куренный Э.Г., Лютый А.П., Черникова Л.В. Метод парциальных реакций для анализа процессов на выходе линейных фильтров в моделях электромагнитной совместимости. – Электричество, 2006, №10. – С.11-18.
4. Мельник В.Н., Куренный Э.Г. Оценка влияния колебаний напряжения на электромагнитную совместимость при периодическом изменении напряжения. – Праці Донецького державного технічного університету «Електротехніка і енергетика». – Донецьк, випуск 17, 2000. – с.142-145.[Электронный ресурс] http://masters.donntu.ru/2007/eltf/andrushkevich/library/kolebanie.htm

5. Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения. – Донецк: Норд-Пресс, 2005. – 250 с.
6. Куренный Э.Г., Цыганкова Н.В. Расчет доз фликера напряжения. Збірник наукових праць, ДонНТУ. Серія "Електротехніка і енергетика", випуск 50.- Донецьк, ДонНТУ,2002.- С. 88-92 [Электронный ресурс]http://masters.donntu.ru/2007/eltf/andrushkevich/library/doza.htm

7. Куренный Э.Г., Дмитриева Е.Н., Погребняк Н.Н., Черникова Л.В., Цыганкова Н.В. Аналитический метод расчета показателей случайных колебаний напряжения в электрических сетях. - – Праці Донецького державного технічного університету «Електротехніка і енергетика». – Донецьк, випуск 17, 2000.
8. Цыганкова Н.В. Оценка допустимых колебаний напряжения по размахам и частотам. "Технічна електродинаміка", частина 3, 2002. - С, 17 - 22.
9. Курінний Е.Г., Дмітрієва О.М., Топчій В.О. Дози флікеру при періодичних коливаннях напруги.
10. Mirra C., Sani G.Il femomeno del flicker. Analizi delle sue caracteristiche. Techniche di misura e medodi dilimitazione.-L'Elettrotecnica. - 1987.
11. Шидловский А.К., Куренный Э.Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения. Ц Киев: Наукова думка,1984. Ц 272 с.
12. Ермилов А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 208 с.

ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ >> Автобиография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание