Портал магистров
|
|
Портал магистров
|
 Об авторе |
 Библиотека |
 Ссылки |
 Отчёт о поиске |
 Шахматы: человек против компьютера |
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.
Несимметрия напряжения является одной из наиболее распространённых кондуктивных помех ЭМС. В большинстве публикаций оценивание этих помех производится для частных случаев неизменной несимметрии. Однако на практике несимметрия изменяется во времени, например, при работе дуговых сталеплавильных печей (ДСП) (рис. 1) [1].
Такой режим работы негативно сказывается на работе других электроприёмников, вызывая дополнительные потери активной мощности, повышенный нагрев токоведущих частей, преждевременное старение изоляции, сокращение срока службы электрооборудования. Поэтому практическая актуальность данной магистерской работы заключается в необходимости разработки методов оценки ЭМС.
Так как в действующих сетях помехи представляют собой случайные процессы, требуется разработка общих методов анализа. Существующие методы используют статические модели, относящиеся к медленному изменению напряжения, что не подходит для оценки несимметрии при работе ДСП, когда напряжение изменяется быстро. Эта задача решается с помощью динамического моделирования последствий воздействия помехи на электрооборудование.
Универсальность такого подхода обусловлена отсутствием ограничений по типу помех – на вход модели могут подаваться неизменные, периодические или случайные процессы. Моделирование обеспечивает физический смысл показателей ЭМС, единство их измерения и расчёта, достоверность оценок ЭМС. В этом заключается научная актуальность работы.
Таким образом, основная цель работы – развитие методов оценки ЭМС. К задачам, которые должны быть решены, следует отнести:
уточнение формул ГОСТ 13109-97 для расчёта действующих значений напряжений обратной и нулевой последовательностей;
анализ экспериментальных данных по несимметричной нагрузке при работе ДСП (определение статистических характеристик – среднее значение, дисперсия, действующее значение, закон распределения – по реализации и ансамблю реализаций);
разработка динамической модели оценки ЭМС;
оценка ЭМС при работе ДСП.
Исследованию и разработке эффективных методов оценки несимметрии посвящены работы таких авторов, как
Существующие методы расчёта несимметрии обладают либо значительной громоздкостью математического аппарата (при достаточно малой погрешности), что затрудняет их программно-аппаратную реализацию, либо малой точностью (при относительной простоте), что ставит под сомнение эффективность их использования.
Кроме того, большинство научных работ, посвящённых исследованию несимметричных режимов работы электрических сетей, связано, как правило, с расчётом суммарных потерь в элементах сети и в электроприёмниках при различных уровнях несимметрии, а также с разработкой мероприятий по снижению несимметрии. Вопросам разработки методов оценки несимметрии, ориентированных на инженерную практику и реализацию их программно-аппаратного исполнения, в научной и учебной литературе уделено меньшее внимание.
Увеличение потерь электроэнергии в элементах сети и электроприемниках – только одна из сторон негативного влияния несимметрии. Другая сторона проблемы – технологический ущерб, связанный с нарушением режима работы потребителей. Вопросы влияния несимметрии на работу потребителей затрагиваются во многих работах, посвящённых расчётам режимов электрических сетей, и нашли своё отражение в научной и учебной литературе. Однако оценка влияния несимметрии на работу электроприёмников, а также анализ процесса взаимодействия электроприёмников с несимметричной сетью затруднены многочисленными факторами, влияющими на результат (необходимость учёта особенностей потребителей и питающей сети, необходимость в информации о причинах вызвавших несимметрию). Это приводит к существенным допущениям и снижению достоверности оценки результата взаимодействия электроприёмника и сети.
В особую группу потребителей, подключённых к сетям общего пользования, можно выделить вращающиеся электрические машины переменного тока. Это определяется крайне высокой чувствительностью такого рода потребителей к несимметрии питающих напряжений. Исследование влияния несимметрии на работу таких потребителей нашло отражение в работах многих авторов
Следует отметить, что снижение несимметрии напряжений и токов целесообразно даже тогда, когда она находится в допустимых пределах, так как при этом уменьшаются потери в электрических сетях и электроприёмниках, облегчаются условия работы генераторов, двигателей и средств релейной защиты. Поэтому симметрирование нужно рассматривать не только как средство повышения качества электроэнергии, но и как средство повышения экономичности и надежности электрической системы в целом. [2]
В [3] ЭМС технических средств – это способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. Применительно к задачам электроснабжения электромагнитной средой является система электроснабжения, а техническим средством – электроприёмник, который принимает полезный сигнал: питающее напряжение, симметричное и неискажённое. Таким образом, под ЭМС в узком смысле понимается способность электроприёмника нормально функционировать в системе электроснабжения и не создавать в ней кондуктивных (conductor, лат. – проводник) помех, недопустимых для других электроприёмников.
Задачи обеспечения ЭМС решаются на стадии проектирования и в эксплуатации, что требует создания методов расчёта и измерения показателей ЭМС – величин, количественно характеризующих свойства ЭМС. [1]
Тема магистерской работы – «Оценка ЭМС по несимметрии напряжения». В системах электроснабжения промышленных предприятий несимметрия напряжений может быть вызвана внешними и внутренними причинами. Внешняя несимметрия обусловлена, во-первых, тем, что генераторы на электрических станциях не могут создавать абсолютно симметричную систему напряжений. Во-вторых, линии и трансформаторы имеют разброс в сопротивлениях фаз и коэффициентах трансформации. В-третьих, на соседних предприятиях могут быть настолько мощные потребители с несимметричной нагрузкой, что они создают несимметрию в районных электрических сетях, от которых питается рассматриваемое предприятие. В проектировании предполагается, что внешняя несимметрия отсутствует. Источником внутренней несимметрии являются трёхфазные электроприёмники с несимметричной нагрузкой (ДСП, магнитногидравлические установки для точного литья и др.), а также однофазные электроприёмники. В результате, даже при отсутствии внешней несимметрии, напряжение 
на шинах будет несимметричным, поскольку несимметричная нагрузка создаёт на сопротивлении сети несимметричную потерю напряжения. Тем самым нарушается ЭМС других электроприёмников и электрооборудования: асинхронных (АД) и синхронных (СД) электродвигателей, конденсаторных установок (КУ), цеховых трансформаторов. [1]
Уточнение формул ГОСТ 13109-97. Оценивание ЭМС по несимметрии напряжения производится по действующим значениям напряжений обратной 
и нулевой 
последовательностей [4]:
где 
– три линейных и два фазных напряжения, измеренных одновременно на
Как видно из формул, напряжения могут принимать неопределённые значения в случае обрыва одной из фаз (крайний случай несимметрии), так как знаменатель дробей 
и 
обращается в 0. В связи с этим требуется уточнение формул [4].
Исходные данные. Исходными данными для расчётов показателей ЭМС являются реализации (графики) помех (рис. 2) или их характеристики. В действующих электроустановках записанные графики учитывают все особенности конкретной сети, состав электрооборудования, наличие внешних помех. В проектировании используются графики нагрузки источников помех – либо расчётные, либо полученные опытным путём для аналогичных источников помех. [1]
В данной работе исходными данными являются полученные в режиме расплавления осциллограммы напряжений и токов асинхронных двигателей (АД), установленных в одном из сталеплавильных цехов ОАО «Днепроспецсталь».
В общем случае сеть, электроприёмники и средства улучшения ЭМС представляются схемами замещения с сосредоточенными параметрами: комбинацией активных сопротивлений, индуктивностей и ёмкостей. Внешние и внутренние помехи учитываются раздельно. Для внешних помех используется расчётная схема, в которой источники помех рассматриваются как источники ЭДС: как бы ни менялись параметры режима электроприёмников и источников внутренних помех, график внешней помехи остаётся без изменения.
При нахождении графика внутренней помехи источники помех считаются источниками тока, нагрузка которых инвариантна по отношению к любым изменениям в сети. В связи с этим схема замещения (рис. 3) представляет собой параллельно соединённые источники тока 
электроприёмники и сеть. Помехой является напряжение между точками а и b.
Для маломощных систем электроснабжения (например, автономных) источники помех нельзя считать источниками тока, а следует исходить из принципа инвариантности индивидуальных проводимостей, которые не зависят от изменений параметров режима сети. В этом случае нагрузки источников помех будут зависимыми, что усложняет расчёты.
При наличии нескольких источников помех расчёты выполняются по графикам суммы активных и суммы реактивных составляющих их токов.
Непериодические помехи обычно задаются в виде решётчатой функции: дискретной последовательности ординат с малым шагом дискретизации 
по оси времени. Периодические помехи могут представляться в виде ряда Фурье. [1]
Структурная схема динамической модели ЭМС по несимметрии напряжения. В общем случае динамическая модель ЭМС одного электроприёмника содержит взвешивающий фильтр (ВФ), моделирующий реакцию, и блок квадратичного инерционного сглаживания (КСИ) (рис. 4, а). На пропорциональный блок 1 с коэффициентом передачи 
поступает квадратичный токовый инерционный процесс 
При отсутствии сведений о параметрах ВФ или в укрупнённых технико-экономических расчетах, когда известны лишь коэффициенты 
динамическая модель массовых электроприёмников принимается в виде, показанном на рис. 4, б. Здесь на звено 1 поступает инерционный процесс 
после квадратичного инерционного сглаживания коэффициентов несимметрии.
В общем случае к сети подключается группа электроприёмников с разными постоянными времени нагрева. Их динамические модели будут отличаться друг от друга величиной параметра Т блока КСИ.
Средние потери мощности 
вычисляются по квадрату эффективного тока 
обратной последовательности. Для получения этой величины после квадратора 2 предусматривается звено 3 определения среднего значения (рис. 5, а). В пропорциональном звене 1 производится умножение 
на коэффициент 
Среднее значение потерь мощности пропорционально квадрату эффективного значения 
коэффициента несимметрии, поэтому:
Соответствующая динамическая модель представлена на рис. 4, б. В ней звено 1 имеет коэффициент передачи 
Аналогичные модели для оценивания средней температуры отличаются лишь коэффициентами передачи пропорциональных звеньев. Средняя температура является показателем ЭМС для электроприёмников с очень большой тепловой инерцией (теоретически Т 
). В общем случае по ней определяется кратность снижения срока службы 
Для этого в моделях на рис. 5 предусматривается пропорциональное звено 1 с коэффициентом передачи b и экспоненциальное звено 4.
Модели ЭМС асинхронных электродвигателей. Коэффициент передачи 
ВФ на рис. 4, а и 5, а может быть определен двумя способами: по схеме замещения АД и по экспериментальным данным.
Проиллюстрируем применение первого способа на примере Г-образной схемы замещения (рис. 6), где приняты следующие обозначения для активных сопротивлений и индуктивностей: 
и 
– обмотки статора, 
и 
– контура намагничивания, 
и 
– обмотки ротора, s – скольжение, коэффициент 
Дополнительно обозначим:
В операторной форме эквивалентная проводимость двух параллельных ветвей:
которая измеряется в сименсах. Для выражения тока в процентах введём безразмерные коэффициенты:
где 
– номинальное сопротивление двигателя.
Передаточная функция ВФ получается умножением эквивалентной проводимости на номинальное сопротивление:
В соответствии с первым выражением ВФ состоит из двух параллельно соединённых инерционных звеньев с коэффициентами передачи 
и постоянными времени 
и 
. Второе выражение даёт четыре последовательно соединённые звена: пропорциональное с коэффициентом передачи , два инерционные с и , а также форсирующее с постоянной времени 
Первую структуру ВФ удобно использовать для расчётов по временным характеристикам. В рассматриваемой задаче переходная функция является реакцией на скачок напряжения 
который определяется через единичную функцию: 
В этом случае первое выражение приводит к формуле:
где 
Весовая функция
состоит из суммы двух экспонент.
Вторая структура удобна для расчётов с использованием частотных характеристик. АЧФ фильтра
Структурная схема замещения АД по прямой последовательности аналогична схеме на рис. 6 – в ней надо заменить и 
на 
и 
на 
Обозначив
найдём эквивалентное сопротивление параллельных ветвей
При частоте 
получим:
Как отмечалось, при встречающейся на практике несимметрии, скольжение изменяется незначительно, поэтому в полученных формулах его можно принимать равным номинальному значению.
Отдельные элементы АД имеют разные постоянные времени нагрева, которые к тому же зависят от условий вентиляции. Однако обычно ограничиваются приближённым анализом нагревания, принимая одну постоянную времени. Возникающие при этом погрешности не выходят за пределы допустимых. Значения постоянных времени нагрева для АД различной мощности находятся в широких пределах: от нескольких минут до часов. В большинстве случаев она намного больше средней длительности циклов изменения несимметрии, поэтому оценивание ЭМС можно выполнять в рамках моделей, представленных на рис. 5.
Этот вывод относится и к большинству СД, КУ, трансформаторов и ЛЭП, постоянные времени нагрева которых достаточно велики. [1]
Технико-экономическая эффективность уменьшения несимметрии напряжений. Данные о показателях несимметрии используются для обоснования применения устройств уменьшения несимметрии напряжений. Техническая необходимость в этом возникает, если нарушаются требования стандартов. Экономическая целесообразность доказывается путем сопоставления эффекта от уменьшения дополнительных потерь электроэнергии и увеличения срока службы электрооборудования с затратами на устройства стабилизации.
Для каждого вида электрооборудования ежегодный экономический ущерб от несимметрии напряжений в грн/год определяется по формуле:
где 
– приведённые затраты на оборудование; 
– число часов работы оборудования в году; 
– номинальный срок службы; 
– стоимость 1 кВт
ч потерь электроэнергии; 
– нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, который является величиной, обратной нормативному сроку окупаемости.
Корректирующее устройство стоимостью 
с ежегодными эксплуатационными издержками уменьшает ущерб на величину 
зависящую от остаточной несимметрии напряжений. Срок окупаемости корректирующих устройств (в грн):
Экономический эффект от применения корректирующего устройства (в грн/год):
Эта величина будет больше нуля, если срок окупаемости положителен и не превышает 
Дуговые печи, работая в сети, создают несимметрию напряжений, что сказывается на работе всех потребителей, включённых в эту сеть. Поэтому необходима разработка методов оценки несимметрии напряжения. Однако существующие методы основаны на статических моделях, которые не могут описывать быстрые случайные изменения напряжения, происходящие при работе ДСП. Решением данной проблемы становится использование динамических моделей ЭМС.
При написании данного реферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2010 года.
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.