Факультет энергетики и систем управления Кафедра электромеханических систем и электроснабжения Магистерская ДИССЕРТАЦИЯ На тему: « Теоретические и экспериментальные исследования степени влияния современных электроприводов с преобразователем частоты на питающую сеть » Выполнил: студент гр. мЭС 181 Полуказаков А.В. Научный руководитель: к.т.н., доц. Титова Л.Н.
Цель работы: Выявление влияния режимов работы ПЧ на гармонический состав тока и напряжения в питающей электрической сети низкого напряжения Задачи: Изучить современные требования к качеству электрической энергии в точках общего присоединения к энергосистеме. Оценить влияние разнообразных факторов на возникновение высших гармоник тока и напряжения в питающей электрической сети при наличии среди потребителей нелинейных нагрузок. Разработать математическую модель для переходных и установившихся процессов в системе «Питающий трансформатор-линия электропередачи - полупроводниковый преобразователь частоты - асинхронный двигатель», позволяющую оценить влияние работы ПЧ на синусоидальность форм тока и напряжения в точках общего присоединения. Исследовать влияние погонных параметров ЛЭП на качество переходных процессов в системе, возникновение дополнительных потерь мощности, а также влияние режима работы системы «ПЧ-АД» на возникновение низкочастотных помех, передающихся по электрической сети от нагрузки к питающему трансформатору. Подтвердить адекватность математической модели реальным процессам на физической модели системы «АД- ПЧ». Оценить методы уменьшения электромагнитных помех на ЛЭП при использовании разнообразных фильтров напряжения и тока.
Характеристики показателей качества электрической энергии Мощность короткого замыкания Мощность технического средства Отношение короткого замыкания Нормы качества электрической энергии регламентируются: ГОСТ 32144-2013 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения; ГОСТ 30804.3.2-2013 Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16А (в одной фазе); ГОСТ 30804.3.12-2013 Нормы гармонических составляющих тока, создаваемых техническими средствами с потребляемым током более 16А, но не более 75А (в одной фазе), подключаемыми к низковольтным распределительным системам электроснабжения; ГОСТ Р 51317.3.4-2006 Ограничение эмиссии гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током более 75А, подключаемыми к низковольтным системам электроснабжения. Суммарный коэффициент гармонических составляющих (СКГС) Частичный взвешенный коэффициент гармонических составляющих (ЧВКГС )
Приборы для определения качества электрической энергии Регистратор Парма РК 1.01 сформированные протоколы соответствия качества измеренной ЭЭ содержат: - вычисление верхних и нижних значений ПКЭ за сутки; - вычисление относительного времени выхода за нормально и предельно допустимые значения ПКЭ за сутки; - вычисление наибольших и наименьших значений ПКЭ за сутки. Двухканальный USB осциллограф полученные осциллограммы позволили определить следующие параметры: - частота тока и напряжения; - амплитудное значение тока и напряжения; - максимальное и минимальное значение тока и напряжения; - действующее значение тока и напряжения; - гармонический состав тока и напряжения.
Математическая модель системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения Спектральный анализ входного тока ПЧ, расчетный суммарный коэффициент гармонических составляющих (СКГС) Математическая модель системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения Формы мгновенных значений: скорости двигателя, линейного тока и линейного напряжения на входе системы «ПЧ-АД» Частота вращения вала двигателя Линейный ток на входе ПЧ Линейное напряжение на входе ПЧ Линейный ток на входе ПЧ Спектр тока на входе ПЧ и его СКГС Фрагмент математической модели системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения
Математическая модель системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения с Г-образным сетевым фильтром Спектральный анализ входного тока ПЧ, расчетный суммарный коэффициент гармонических составляющих (СКГС) Математическая модель системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения с Г-образным сетевым фильтром Формы мгновенных значений: скорости двигателя, линейного тока и линейного напряжения на входе системы «ПЧ-АД» Частота вращения вала двигателя Линейный ток на входе ПЧ Линейное напряжение на входе ПЧ Линейный ток на входе ПЧ Спектр тока на входе ПЧ и его СКГС Фрагмент математической модели системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения с Г-образным сетевым фильтром
Математическая модель системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения с Т-образным сетевым фильтром Спектральный анализ входного тока ПЧ, расчетный суммарный коэффициент гармонических составляющих (СКГС) Математическая модель системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения с Т-образным сетевым фильтром Формы мгновенных значений: скорости двигателя, линейного тока и линейного напряжения на входе системы «ПЧ-АД» Частота вращения вала двигателя Линейный ток на входе ПЧ Линейное напряжение на входе ПЧ Линейный ток на входе ПЧ Спектр тока на входе ПЧ и его СКГС Фрагмент математической модели системы «ПЧ-АД» при питании от энергосистемы по длинной линии высокого напряжения с Т-образным сетевым фильтром
Физическая модель системы «ПЧ-АД». Моделирование работы системы «ПЧ-АД » Осциллограммы и спектрограммы токов и напряжений системы «ПЧ-АД» Схема электрическая принципиальная измерительного комплекса системы «ПЧ-АД» Результаты физического моделирования системы «ПЧ-АД» Осциллограмма и спектрограмма тока на входе преобразователя частоты при частоте 50 Гц Осциллограмма и спектрограмма напряжения на входе преобразователя частоты при частоте 50 Гц Осциллограмма и спектрограмма тока на выходе преобразователя частоты при частоте 50 Гц Осциллограмма и спектрограмма напряжения на выходе преобразователя частоты при частоте 50 Гц
Результаты применения фильтрокомпенсирующих устройств в системе «ПЧ-АД» Выходная часта ПЧ, Гц Суммарный коэффициент гармонических составляющих ( THDi ), % Модель системы «ПЧ-АД» Модель с учетом длинны линии Модель с учетом длинны линии и Г -ным фильтром Модель с учетом длинны линии и Т-ным фильтром Норма по ГОСТ 32144-2013 физическая математическая 10 145 147,15 94,13 30,92 22,85 12 20 133 129,32 83,72 18,81 13,53 12 30 126 127, 02 48,11 14,75 8,80 12 40 118 115,24 38,98 10,88 6,39 12 50 109 1 06, 97 37,6 8,45 4,93 12 Гармонические составляющие токов относительно первой гармоники, % Гармонические составляющие напряжений относительно первой гармоники, % Номер гармоники эксперимент Норма по [ 1 ] Номер гармоники эксперимент Норма по [ 19 ] 5 63 54 5 127 6 7 4,5 39 7 3,5 5 11 8,9 11 11 - 3,5 13 12,5 5 13 - 3 17 17, 7 5 17 - 2 19 - 3 19 1,49 1,5 23 - 2 23 1,1 1,5 25 - 2 25 1,5 СКГС 21 21 СКГС 12, 8 8 Сравнение нормируемых характеристик по электромагнитной совместимости с фактическими Таблица 1 Таблица 2
Применение фильтрокомпенсирующих устройств в системе «ПЧ-АД» Выходная часта ПЧ, Гц Суммарный коэффициент гармонических составляющих ( THDi ), % Модель системы «ПЧ-АД» Модель с учетом длинны линии Модель с учетом длинны линии и Г -ным фильтром Модель с учетом длинны линии и Т-ным фильтром Норма по ГОСТ 32144-2013 физическая математическая 10 145 147,15 94,13 30,92 22,85 12 20 133 129,32 83,72 18,81 13,53 12 30 126 127, 02 48,11 14,75 8,80 12 40 118 115,24 38,98 10,88 6,39 12 50 109 1 06, 97 37,6 8,45 4,93 12 Схема подключения входного фильтрокомпенсирующего устройства (дросселя, Г-образного, Т-образного фильтра) Формы входного тока и его спектр системы « ПЧ-АД» с входным фильтрокомпенсирующим устройством и без него
Основные выводы по работе 1. Система «ПЧ - АД» не может применяться в низковольтных электрических сетях при питании от подстанций ограниченной мощности без использования дополнительных фильтрокомпенсирующих устройств. 2. Адаптация системы «ПЧ - АД» к параметрам электрических сетей низкого напряжения сегодня далека от однозначных решений и рекомендаций по практическому применению специального сетевого оборудования фильтров, систем импульсно-фазового управления и т.п.). Реализация подобных мер сводится к применению разнообразных фильтров высших гармоник тока и напряжения (активных или пассивных). 3. Среди пассивных фильтров преимущество над Г-образными фильтрами имеют Т- образные фильтры с несколькими реактивными элементами. Их использование позволяет практически полностью подавить паразитное влияние 5-й, 11- й, 17- й и более высоких гармоник тока. 4. Использование пассивных резонансных фильтров для компенсации широкого спектра высших гармоник тока и напряжения приводит к неоправданному удорожанию и повышению габаритов и веса всей установки. При этом, полный комплекс номинальных характеристик фильтра могут быть невостребован если реальная нагрузка ПЧ будет генерировать весь спектр гармоник, на который не рассчитывался фильтр, и они не будут в должной мере скомпенсированы. Недостатком пассивных фильтров является невозможность изменения реактивной мощности и напряжения на выходе фильтра в режиме « on-line » при резко переменной нагрузке системы «ПЧ - АД». 5. Применение активных фильтров высших гармоник с питанием от вольтодобавочных трансформаторов является более прогрессивным техническим решением, но недостаточно изучен и нуждается в дополнительном исследовании. Необходимо сопоставить снижение потерь в электрической сети с возрастанием потерь в дополнительных элементах такого фильтра, а также оценить экономические преимущества и срок окупаемости затрат. 6. В ходе выполнения настоящей работы разработано прикладное программное обеспечение и методические указания к выполнению лабораторных работ на кафедре ЭМСЭС по дисциплинам электроэнергетического цикла. Содержание диссертационного исследования опубликовано в двух печатных работах.
Спасибо за внимание
