Введение к работе
Актуальность:
В настоящее время множество производственных предприятий малого и среднего бизнеса в различных отраслях промышленности используют электрические сети с напряжением 0.38 кВ для своих производственных нужд.
Зачастую такие предприятия располагаются на территории крупных производственных центров или смежных с ними площадях. При таком расположении производств нередки случаи, когда на качество электроэнергии, получаемой одним потребителем, оказывают влияние другие смежные с ним потребители. В таких случаях предприятия часто не имеют юридической возможности исправить качество питающего напряжения. И задача повышения качества питающего напряжения для обеспечения стабильной работы всего парка технологического оборудования как электротехнической системы ложится на эксплуатационные службы производственных предприятий. С учётом того, что многие виды оборудования, например сложные обрабатывающие комплексы, вычислительная техника, контроллеры, восприимчивы к качеству питающего напряжения, то вопрос обеспечения требуемого уровня качества электроэнергии является актуальным.
Современные системы регулирования качества электроэнергии направлены в основном на устранение влияния потребителей на сеть: снижение потребляемой реактивной мощности и устранение тока высших гармоник. Этому посвящены работы многих российских и зарубежных учёных. Среди которых можно назвать Агунова А. В., АгуноваМ. В., Вагина Г.Я., Дьякова Д.Ф., Жежеленко И. В., Железко Ю. С, Кужекина И.П., ЛабунцоваВ. А., Лоскутова А.Б., Розанова Ю. К., Севостьянова А.А., Чаплыгина Е. Е., Шидловского А. К., Н. Akagi, Y. Kanazawa и т. д. Наиболее распространёнными решениями являются тиристорные компенсаторы и конденсаторные установки, а также компенсаторы на базе транзисторных преобразователей. В то же время вопросы управления формой и уровнем кривой питающего напряжения, поступающего к потребителю, требуют дополнительной проработки.
Как правило, для формирования требуемого уровня напряжения на нагрузке используются автотрансформаторы, источники бесперебойного питания, генераторы электрической энергии. Однако эти решения малопригодны для больших мощностей нагрузки в основном из-за высокой стоимости и больших габаритов. Традиционными недостатками применяемых на практике методов и устройств регулирования напряжения являются высокая инерционность процессов (до нескольких десятков секунд), ступенчатость регулирования. При этом не регулируется спектральный состав напряжения поступающего конечному потребителю. Регулирование спектрального состава традиционно достигается применением ступенчатых пассивных фильтров настроенных на определённые частоты. Применение
пассивных фильтров в свою очередь снижает действующее значение напряжения. Решения на основе силовых активных фильтров пока не нашли широкого применения на практике, хотя первые разработки в этом направлении в России датируются 70-ми годами XX века.
Таким образом, общими недостатками для систем регулирования качества электрической энергии являются: высокая инерционность процессов, неполное регулирование вследствие ступенчатости регуляторов, ограниченность области регулирования действующим значением или спектральным составом.
Основной идей работы является создание последовательного активного фильтра для регулирования мгновенных значений кривой напряжения поступающего на индивидуальный электроприёмник или группу электроприёмников. За счёт приведения формы кривой к синусоидальной заданной амплитуды достигается регулирование всех показателей качества электрической энергии - отклонения действующего значения напряжения, спектрального состава напряжения и т.д.
Работа выполнена в рамках:
гранта по государственной программе «Участник Молодёжного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.») в 2011 и 2012 годах;
гранта инновационно-инвестиционного фонда Самарской области «Опытный образец 2011»—научно исследовательской, опытно-конструкторской и технологической работе по теме «Фильтрорегулирующее устройство для промышленных электрических сетей» по договору № 2/11/255-00 от 08.11.2011г. между инновационно-инвестиционным фондом Самарской области и 000 "НПО ТЭС".
исследований по госбюджетной тематике «Исследование полупроводниковых фильтрокомпенсирующих устройств»
Целью работы является регулирование напряжения на электроприёмниках в системах электроснабжения 0.38 кВ на основе последовательного активного фильтра, компенсирующего отклонение мгновенных значений напряжения от заданных параметров.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
разработка устройства регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в электрических сетях 0.38 кВ;
экспериментальное исследование и математическая обработка мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0,38 кВ, питающей чувствительные к искажениям электроэнергии ЭП;
разработка способа регулирования мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП;
разработка имитационной модели «сеть-фильтрорегулирующее
устройство-нагрузка», обеспечивающей реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения;
разработка методики формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающей регулирование мгновенных значений напряжения;
оценка стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях;
разработка схемотехнического решения и создание физической модели фильтрорегулирующего устройства обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения;
экспериментальная проверка на физической модели обеспечения требуемых показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения.
Используемые в работе методы исследования. При анализе кривой сетевого напряжения и результирующего напряжения после фильтрорегулирующего устройства на нагрузке используется аппарат рядов Фурье. При исследовании адекватности разработанного способа регулирования напряжения на нагрузке используются методы математического и имитационного моделирования физических процессов в электрических цепях. Экспериментальные методы основаны на применении инструментальных средств с последующей цифровой математической обработкой сигналов на основе частотного анализа и преобразования Гильберта.
Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности применяемых в работе теоретических методов, проверки результатов компьютерного моделирования физическим моделированием.
Положения, выносимые на защиту.
-
Способ компенсации отклонений мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП от заданных значений;
-
Устройство регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ с частотой дискретизации 44 кГц.
-
Имитационная модель системы «сеть-фильтрорегулирующее устройство-нагрузка», обеспечивающая реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения.
-
Критерии стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях.
-
Схемотехническое решение фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения.
Научная новизна работы. 1. разработан способ компенсации отклонения мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП (патент РФ № 2449457);
-
разработана имитационная модель «сеть-фильтрорегулирующее устройство-нагрузка», обеспечивающей реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения;
-
разработана методика формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающая регулирование мгновенных значений напряжения;
-
получены критерии стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.
-
Разработано устройство и программное обеспечение позволяющее проводить регистрацию, вычисление и вывод мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ с частотой дискретизации 44 кГц (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2012614912).
-
Получены мгновенные значения показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ, питающей чувствительные к искажениям электроэнергии электроприёмники.
-
Разработана программа управления фильтрорегулирующим устройством, обеспечивающая компенсацию отклонений мгновенных значений напряжения (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011610683).
-
Создано схемотехническое решение и физическая модель фильтрорегулирующего устройства обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения.
Результаты работы были внедрены в учебный процесс Тольяттинского государственного университета в дисциплины «Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей» и «Основы преобразовательной техники», в производственный процесс ООО «ВИЭМТЕХ» при производстве источников питания для сейсмоисточников, в производственный процесс ООО «ТДМК» при контроле параметров электрической энергии, в производственный процесс ООО «НПО ТЭС» при производстве фильтрорегулирующих устройств.
Доклад результатов, обсуждение и апробация работы состоялась на следующих конференциях.
-
III Международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 2010 г.;
-
VII-я Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в электронике и электроэнергетике» ИТЭЭ-2010, Чебоксары, 2010 г.;
-
5-я Всероссийская научно-практическая конференция «Системы управления электротехническими объектами», Тула, 2010 г.;
-
Международная научно-техническая интернет-конференция
«Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (ЭПАХПП-2011), Воронеж, 27-28 сентября 2011 г.;
-
IX Всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (ДНДС-2011), Чебоксары, 6-8 октября 2011 г.;
-
Международная молодёжная научно-техническая конференция «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование», Самара, 21-25 ноября 2011г.;
-
Региональная конференции «Энергосбережение в Самарской области: актуальные проблемы и пути их решения», Самара, 15 декабря 2010 г.;
-
Всероссийская выставка «Российская неделя электроники 2010», Москва, 1-3 ноября 2010 г.;
-
IV Российский форум «Российским инновациям - Российский капитал», Оренбург, 8-10 июня 2011 г.;
-
Выставка-форум «Образование. Наука. Бизнес», Самара, 8-Ю декабря 2011 г.;
-
Выставка «60 лет ТГУ: Опыт. Качество. Инновации», Тольятти,24-28 января 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Из них 4 -в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложений и библиографического списка, включающего 108 наименований. Работа изложена на 124 страницах, содержит 61 рисунок, 7 таблиц.
