Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительное увеличение доли полупроводниковых преобразователей' в составе судовых электроэнергетических систем (СЭЭС) и систем электроснабжения предприятий судостроительной отрасли приводит к существенным нелинейным искажениям сетевого напряжения и тока. Нелинейные искажения кривой напряжения сети или, другими словами, несинусоидальные режимы неблагоприятно влияют на работу силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. В результате этого возникают экономические ущербы, обусловленные, главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы основного электрооборудования СЭЭС.
В связи с этим, прогрессирующее внедрение преобразователей на судах, кораблях, плавучих боровых установках и предприятиях судостроения выдвигает к ним особые требования, определяющиеся влиянием преобразователя на качество и параметры питающей сети переменного тока, т.к. при низких энергетических показателях отрицательное влияние преобразователей на питающую сеть может быть столь велико, что в некоторых случаях будет ставиться под сомнение целесообразность их применения.
В этих случаях особенно важной становится достоверная оценка степени влияния на питающую сеть переменного тока системы "преобразователь - нагрузка" как потребителя электроэнергии, загружающего сеть переменного тока гармоническими составляющими, отличными от частоты сети.
Такая оценка может базироваться на использовании общих энергетических характеристик преобразователя, которые определяются соотношениями между уровнем полной мощности, потребляемой преобразователем от .сети, и уровнями ее составляющих.
Между тем, многомерность .энергопроцессов в электрических цепях с несинусоидальными токами и напряжениями, с одной стороны, и многоаспектность характеристик этих процессов, с другой стороны, обусловили наличие многочисленных методов анализа несинусоидальных режимов и формул для оценки неактивных составляющих полной мощности, которые не удовлетворяют условию выполнения энергетического баланса по отдельным составляющим полной мощности. Поэтому, разработка энергетических методов анализа реальных электромагнитных процессов в СЭЭС с нелинейными элементами представляет определенный интерес и является актуальной.
Работы в этом направлении ведутся достаточно интенсивно как за рубежом, в частности, в специально созданной группе Международной электротехнической комиссии (МЭК), так и в нашей стране, в рамках Научного совета Академии наук "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" по теме: "Методические и технические аспекты понятия активной и реактивной мощности".
Диссертационная работа является составной частью исследований, проводимых согласно межвузовской комплексной программы Госкомвуза России по теме: "Разработка научных основ обеспечения электромагнитной совместимости технических средств", а также по этапу "Расчет и анализ статических и энергетических показателей источников вторичного электропитания" темы: "Разработка источников вторичного электропитания для маломощных энергосистем в судостроении на базе транзисторных преобразователей", исполнителем которых являлся СПбГМТУ.
Цель работы. Создание строгой методической основы для определения реактивной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения и анализ на основе полученной методики реальных электромагнитных процессов в
сээс
Для достижения э*гой цели в данной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Найти, исходя из общих уравнений теории электромагнитного поля, определение реактивной мощности в электрических цепях с периодическими несинусоидальными формами входных величин, выяснив ее физический смысл.
-
Провести анализ сформированной математической модели реактивной мощности для подтверждения ее адекватности реальным физическим процессам, происходящим в СЭЭС.
-
Разработать подход к определению составляющих полной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения, удовлетворяющий условию выполнения энергетического баланса по отдельным составляющим.
-
Определить основные энергетические характеристики системы "генератор - нагрузка", которые могут использоваться в качестве рациональных критериев для сравнительного анализа режимов статических полупроводниковых преобразователей и оценки их влияния на питающую сеть переменного тока.
-
Разработать, основные принципы построения и алгоритмы функционирования микропроцессорного (МП) измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), способного адекватно отражать энергетические процессы в СЭЭС с нелинейными элементами.
-
Экспериментальными исследованиями подтвердить работоспособность предложенного ИВК и принципиальную
возможность его практического использования для оценки энергетических характеристик системы "генератор - нагрузка".
Методы исследований. При решении поставленных в
диссертационной работе задач использовались методы теории электромагнитного поля, теории электрических цепей и сигналов, линейные векторные пространства и ряды Фурье, а также вычислительная математика с элементами программирования.
Достоверность исследований и методов расчета проверялась путем сопоставления результатов расчетов по аналитическим соотношениям с результатами натурных экспериментов.
Научная новизна. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:
1.Выражение для определения реактивной мощности в электрических цепях с любыми формами периодических входных величин, согласно которому Q равна корню квадратному из суммы квадратов разностей средних величин магнитной и электрической энергий гармонических составляющих, пропорциональных круговой частоте гармоники или, другими словами, равна корню квадратному, из суммы квадратов реактивных мощностей отдельных гармоник.
2.Подход к определению составляющих полной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения, удовлетворяющий условию выполнения энергетического баланса по отдельным составляющим.
З.Основные энергетические характеристики системы "генератор-нагрузка", которые могут использоваться в качестве рациональных критериев для сравнительного анализа режимов статических полупроводниковых преобразователей и оценки их влияния на питающую сеть переменного тока.
4.Принципы построения и алгоритмы функционирования микропроцессорного ИВК, способного адекватно отражать энергетические процессы в СЭЭС с нелинейными элементами.
Практическая ценность. Разработана методика определения составляющих полной мощности в электрических цепях несинусоидального тока и напряжения, основанная на использовании универсальных, физически обоснованных выражений, позволяющая более точно, по сравнению с ранее известными методами, оценить неактивные составляющие полной мощности для поддержания оптимальных режимов и увеличения надежности электроснабжения.
Получены расчетные соотношения для определения энергетических
коэффициентов системы "генератор-нагрузка", которые могут
использоваться в качестве рациональных критериев для обеспечения
электромагнитной совместимости полупроводниковых
преобразователей и судовых электроустановок. Сформулированы основные принципы построения и алгоритмы функционирования микропроцессорного ИВК, адекватно отражающего энергетические
процессы в СЭЭС. Реализована схема устройства измерения составляющих полной мощности и других энергетических характеристик на базе ПЭВМ типа IBM PC.
Внедрение результатов работы. Результаты, полученные в настоящей работе, внедрены в производственный процесс ГП "Адмиралтейские верфи" г.Санкт-Петербурга при разработке системы управления компенсации реактивной мощности предприятия, что позволило повысить надежность его электроснабжения.
Разработанные математические модели и алгоритмы для оценки составляющих полной мощности в электротехнических системах с нелинейными элементами используются в АО "Системы связи и телемеханики" г.Санкт-Петербурга при разработке универсального блока контроля и учета электроэнергии.
Основные результаты работы используются в учебном процессе СШГМТУ.
Апробация работы. Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено на:
- IV-ой научно-технической конференции "Проблемы нелинейной
электротехники" (Киев, 1992);
XVIII-OM международном конгрессе Румыно-Американской академии наук (Кишинев, 1993);
международной конференции по энергетике CNE"94 (Нептун Румыния, 1994);
международных симпозиумах "Энергетика-95,96" (Санкт-Петербург, 1995,1996);
семинаре научно-технического . общества имени академика А.Н.Крылова "Опыт исследования, проектирования, наладки, испытаний и эксплуатации средств компенсации реактивной мощности в судовых электроэнергетических системах" (Санкт-Петербург, 1996).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в научно-техническом отчете ив 13 печатных работах, в том числе 11 статьях и 2 описаниях изобретений.
Структура и объем работы . Диссертационная работа состоит из введения.четырех глав, заключения, списка литературы из наименований и двух-приложений. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, иллюстрации, на страницах.
