СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕТИ 0,38 кВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ ТЕПЛИЧНЫХ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК, ПУТЕМ МОДЕРНИЗАЦИИ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕЙ

Расхождение расчетных и опытных значений высших гармоник фазного тока объясняется влиянием несинусоидальности источника питания.

Уровень дополнительных потерь мощности в линии при включении в сеть облучательной установки с лампой ДНаЗ-400 оценен коэффициентом дополнительных потерь электрической энергии (2): k'СТ = 0,294.

Таким образом:

1. При дальнейших теоретических расчётах параметры дросселя приняты L=L=0,036 Гн; R=R=1,09 Ом; М=0,0257 Гн при емкости косинусных конденсаторов С1=С2=30,8 мкФ (емкость эквивалентного им по емкости конденсатора С12=61,6 мкФ). При линеаризации ДВАХ по основной гармонике сопротивление лампы ДНаЗ-400 можно принять RЛ=22 Ом.

2. Математическая зависимость напряжения от тока лампы ДНаЗ-400 выражена уравнениями рядов одиннадцатого порядка , коэффициенты которых зависят от участка ДВАХ.

3. Предложенные методика и технические средства определения ДВАХ лампы ДНаЗ-400 и ее математическое описание могут быть использованы для определения ДВАХ других нелинейных активных приемников.

4. Математически описанная ДВАХ позволяет моделировать процессы пускорегулирующей аппаратуры ламп ДНаЗ.

5. Дополнительные потери мощности в линии из-за несинусоидальности токов облучательной установки с лампами ДНаЗ-400 могут достигать 30%.

В четвертой главе «Моделирование процессов в ПРА» обоснована возможность применения частотного метода для исследования облучательной установки с лампой ДНаЗ-400 с целью определения параметров пускорегулирующей аппаратуры установки; обоснованы схема и параметры модернизированной ПРА, обеспечивающие снижение тока третьей гармоники в нейтральном проводе сети 0,38кВ до требуемого уровня и, тем самым, снижение дополнительных потерь энергии, обусловленных этим током.

Для определения параметров пускорегулирующей аппаратуры установки использован частотный метод.

Обоснование применения частотного метода для расчета электрических схем ПРА с лампой ДНаЗ-400.

1) Для основной гармоники (k=1) определены ток лампы для стандартной схемы включения ПРА.

По второму закону Кирхгофа для внешнего контура схемы (рис. 4):

. (5)

Тогда ток лампы: (6)

При U=220В ток лампы равен IЛ = 4,4 А.

В течение одних рабочих суток непрерывно проводился спектральный анализ токов и напряжений сети и лампы, во время которого отмечены значительные колебания, как первых, так и высших гармоник. На гистограмме (рис. 6) показаны рассчитанные по формуле (6) и опытные значения первой гармоники тока лампы, где в первом столбце представлено расчетное значение тока, минимальное опытное значение тока - во втором, а максимальное - в третьем.

Рис. 6 Расчетное и опытные значения тока лампы

2) Для высших гармоник (k>1) напряжения на лампе для стандартной схемы включения ПРА определены по рис. 7.

Рис. 7 Схема замещения включения лампы ДНаЗ для высших гармоник

По второму закону Кирхгофа для схемы (рис. 7):

. (7)

Тогда действующее значение высших гармоник напряжения на лампе:

. (8)

Задавшись опытными значениями гармоник тока лампы (рис. 5), определены напряжения k-той гармоники. На рис. 8 представлена гистограмма высших гармоник напряжения на лампе, где в первом столбце представлены их расчетные значения, во втором и третьем столбцах соответственно минимальные и максимальные опытные значения.

Рис. 8 Спектр напряжения на лампе

Данные, полученные частотным методом, не противоречат экспериментальным исследованиям и говорят о возможности использования частотного метода для оценки схемных решений ПРА с лампой ДНаЗ-400. Частотный метод исследования ПРА с лампами ДНаЗ-400 позволяет получить наглядную и достаточную для практического применения информацию с целью обоснования параметров ПРА, снижающих проникновение токов высших гармонических составляющих в сеть.

Анализ и моделирование возможных рациональных схем ПРА с лампой.

Предложенные электрические схемы ПРА с лампой ДНаЗ-400 выбраны с учетом создания шунтирующего контура с малым сопротивлением третьей гармонической составляющей тока.

Критериями отбора схемных решений являлись использование стандартных элементов ПРА и возможных конфигураций этих элементов. Количество схем ограничивалось конструкцией и размерами ПРА (форма и объем корпуса, крепления). Лампа выступает как источник тока высших гармоник. Обоснование электрических схем проводилось частотным методом.

ПРА будет приемлема, если уровень третьей гармонической составляющей фазного тока не будет превышать 15 % основной гармоники тока, в этом случае ток нейтрального провода будет меньше половины фазного.

Рассмотрены следующие схемы модернизированных ПРА:

1) с включением конденсатора С3 симметрично к обеим частям полуобмоток дросселя;

2) с включением конденсатора С3 к части одной из полуобмоток дросселя;

3) с включением последовательного фильтра к части одной из полуобмоток дросселя;

4) с использованием фильтра (включение конденсатора С3 параллельно одной из полуобмоток штатного дросселя).

1) ПРА с включением конденсатора С3 симметрично к обеим частям полуобмоток дросселя, схема замещения которой показана на рис. 9.

Конденсатор С3 совместно с частью обмоток штатного дросселя образуют резонансный контур. Число витков W1=W2, W'=W''=W1+W'1. Соотношение витков m=W1/W' принималось равным 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1. По соотношению витков m были определены значения активных сопротивлений и собственных и взаимных индуктивностей частей обмоток дросселей.

Рис. 9 Принципиальная схема замещения:

где L1, L'1, L2, L'2 и R1, R'1, R2, R'2 – индуктивности и активные сопротивления частей обмоток дросселя; М12, М11, М1, М22, М'12, М2 – взаимные индуктивности частей обмоток дросселей

Для оценки целесообразности применения схемы (рис.9) составлена система уравнений по законам Кирхгофа, из которой выражено отношение k-той гармоники фазного тока к первой:

(9)

Зависимость отношения третьей гармоники фазного тока к первой для разных m от емкости конденсатора С3 показана на рис. 10.

Рис.10 Графики отношений третьей гармоники фазного тока к первой в зависимости от емкости конденсатора С3 для разных m

По принятым значениям I1(3)/I1(1)=0,15 и m=0,8 (значение m принято, исходя из условия работы импульсного зажигающего устройства) определена емкость С3=46,4 мкФ, обеспечивающая эти условия. Относительные значения высших гармоник фазного тока при этих условиях приведены в таблице 2. Значения гармоник порядка больше девятого малы и ими можно пренебречь.

Таблица 2 Значения высших гармоник фазного тока I1(k)/I1(1)

I1(3)/I1(1)	I1(5)/I1(1)	I1(7)/I1(1)	I1(9)/I1(1)
0,15	0,015	0,072	0,019

Коэффициент дополнительных потерь мощности k'1=0,09.

Использование схемы включения лампы ДНаЗ-400 по схеме (рис. 9) позволяет уменьшить ток третьей гармоники, снизив тем самым потери энергии в линии с 29,4 % до 9 %.

2) ПРА с включением конденсатора С3 к части одной из полуобмоток дросселя, схема замещения которой показана на рис. 11.

Конденсатор С3 совместно с одной из частей обмоток штатного дросселя образуют резонансный контур для третьей гармоники. Значения соотношения витков m, активных сопротивлений, собственных и взаимных индуктивностей для схемы (рис. 11) определены аналогично методике для схемы (рис. 9).

Рис. 11 Принципиальная схема замещения:

где L1, L'1, L" и R1, R'1, R" – индуктивности и активные сопротивления дросселей;

М1, М12, М11 – взаимные индуктивности дросселей

Из системы уравнений электрической цепи (рис. 11) получено отношение k-той гармоники фазного тока к первой:

(10)

По принятым значениям I1(3)/I1(1)=0,15 и m=0,8 определена емкость С3=28,2 мкФ, обеспечивающая эти условия. Относительные значения высших гармоник фазного тока при этих условиях приведены в таблице 3.

Таблица 3 Значения высших гармоник фазного тока I1(k)/I1(1)

I1(3)/I1(1)	I1(5)/I1(1)	I1(7)/I1(1)	I1(9)/I1(1)
0,15	0,011	0,004	0,001

Коэффициент дополнительных потерь мощности k'2=0,089.

Использование схемы включения лампы ДНаЗ-400 по схеме (рис. 11) позволяет уменьшить ток третьей гармоники, снизив тем самым потери мощности в линии с 29,4 % до 8,9 %.

3) ПРА с включением последовательного фильтра к части одной из полуобмоток дросселя, схема замещения которой показана на рис. 12.

Рис. 12 Принципиальная схема замещения:

где L, R, С3 – индуктивность и активное сопротивление дросселя и емкость конденсатора фильтра

Из системы уравнений электрической цепи (рис.12) получено отношение k-той гармоники фазного тока к первой:

(11)

По принятым значениям I1(3)/I1(1)=0,15, m=0,8 и добротности дросселя фильтра q=30 определена емкость С3=0,05 мкФ, обеспечивающая эти условия. Относительные значения высших гармоник фазного тока при этих условиях приведены в таблице 4.

Таблица 4 Значения высших гармоник фазного тока I1(k)/I1(1)

I1(3)/I1(1)	I1(5)/I1(1)	I1(7)/I1(1)	I1(9)/I1(1)
0,15	0,033	0,019	0,006

Коэффициент дополнительных потерь мощности k'3=0,092. Использование схемы включения лампы ДНаЗ-400 по схеме (рис. 12) позволяет уменьшить ток третьей гармоники, снизив тем самым потери мощности в линии с 29,4 % до 9,2 %.

4) ПРА с использованием фильтра (рис. 13).

Электрическая схема ПРА (рис. 13) выбрана с учетом создания включенного последовательного лампе фильтра с большим сопротивлением протеканию тока третьей гармоники, которая будет препятствовать ее прохождению в сеть.

Конденсатор С3 совместно с одной из обмоток штатного дросселя образуют резонансный контур для подавления третьей гармоники. Емкость этого конденсатора выбиралась по условию резонанса токов на частоте третьей гармоники.

Рис. 13 Принципиальная схема замещения:

где I1, IL, IЛ, IC3, IC12 – комплексы токов фазного, обмотки дросселя, лампы и конденсаторов соответственно; U, UC12, UЛ – комплексы напряжения источника, на штатных конденсаторах и на лампе; С3 – конденсатор фильтра

Из системы уравнений электрической цепи (рис.13) получен модуль полного сопротивления протеканию k-той гармоники фазного тока z(k):

(12)

Максимальное сопротивление протеканию тока третьей гармонике z(3)=1604,7 Ом соответствует резонансной емкости С3 =СРЕЗ =31,2 мкФ.

В таблице 5 представлены сопротивления первой, третьей, пятой, седьмой и девятой гармоник протеканию фазного тока в стандартной ПРА zСТ(k) и в ПРА с использованием фильтра при емкости С3 = 31,2 мкФ z(k).

Таблица 5 Сопротивления протеканию высших гармоник фазного тока в стандартной ПРА zСТ (k) и в ПРА с использованием фильтра z(k)

k	-	1	3	5	7	9
zСТ (k)	Ом	39,0	116,4	193,9	271,5	349,0
z(k)	Ом	51,6	1604,7	219,1	290,3	370,4

Чувствительность фильтра к допускаемым ГОСТ 113109-97 колебаниям частоты напряжения сети f и изменениям емкости конденсатора С3 представлена на рис.14.

Рис.14 Сопротивление z(3)=(f, C3) в окрестности резонансной емкости

Гармонический ряд фазного тока цепи, электрическая схема замещения которой представлена на рис. 13, рассчитан методом Эйлера и представлен на гистограмме (рис. 15).

Коэффициент дополнительных потерь мощности k'4=0,079. Использование схемы включения лампы ДНаЗ-400 по схеме (рис. 13) позволяет уменьшить ток третьей гармоники, снизив тем самым потери мощности в линии с 29,4 % до 7,9 %.

Для модернизации ПРА облучательных установок с учетом наименьших изменений в конструкции ПРА целесообразно применение схемы (рис.13) с включением конденсатора С3 = 30-32 мкФ.

В пятой главе «Экспериментальные исследования и экономическая оценка результатов исследований» приведены экспериментальные исследования модернизированной ПРА в лабораторных условиях ФГОУ ВПО СПбГАУ и производственных условиях ЗАО «Агрофирма «Выборжец» с целью подтверждения теоретически полученных результатов и дана технико-экономическая оценка применения фильтра на одной из обмоток штатного дросселя.

Лабораторные исследования проведены по схеме с использованием фильтра на одной из обмоток штатного дросселя (рис. 13) при значениях емкости С3 в окрестности резонансной. Измерение гармонического состава токов и напряжений производилось измерительным прибором “Энергомонитор 3.3”. Опытные значения гармоник фазного тока представлены на гистограмме (рис. 15).

Рис. 15 Сравнение расчетных и опытных гармоник фазного тока:

где

Производственные исследования электромагнитных процессов в сети 0,38 кВ при включении симметрично по фазам девяти ламп ДНаЗ-400 в ЗАО «Агрофирма «Выборжец» проведены в следующих режимах:

1. - с конденсаторами С12, соединенными звездой с нейтральным проводом;
2. - с конденсаторами С12, соединенными звездой без нейтрального провода;
3. - с конденсаторами С12, соединенными звездой с нейтральным проводом, и фильтрами.

В таблице 7 представлены результаты исследований на производстве.

Таблица 7 Результаты экспериментальных исследований на производстве

Режим	U, В	I1, А	K i1, %	I1(1), А	I1(3), А	IN, А	IN/I1 х100, %
1	217	6,787	25,27	6,579	1,436	4,41	64,98
2	216	6,657	20,11	6,526	1,135	3,17	47,68
3	210	6,53	32,76	6,152	0,844	3,1	47,47

где U – среднее значение фазного напряжения; I1 – среднее значение фазного тока; K i1– коэффициент гармоник фазного тока; I1(1) – первая гармоника фазного тока; I1(3) – третья гармоника фазного тока; IN – ток нейтрального провода; IN/I1 – отношение тока нейтрали к фазному току.

Практическое применение схемы с включением конденсатора параллельно одной из полуобмоток штатного дросселя искажает кривую тока нейтрального провода, его гармонический ряд заметно удлиняется, ток нейтрального провода снижается на 30%, а ток третьей гармоники в фазных проводах на 40 %. Конденсаторы, повышающие cos , необходимо соединять треугольником или звездой без нейтрального провода. Возможна компенсация реактивной мощности батареей трехфазных конденсаторов.

Выводы по работе

1. Анализ работы системы электроснабжения тепличного комплекса агрофирмы «Выборжец» показал, что повышение потерь энергии и перегрев трансформаторов вызываются токами высших гармоник, прежде всего третьей, возникновение которых обусловлено нелинейностью тепличных облучательных установок с лампами ДНаЗ-400.
2. Предложенные методика и технические средства определения ДВАХ лампы ДНаЗ-400 и ее математическое описание в виде степенных рядов одиннадцатого порядка могут быть использованы для определения ДВАХ других нелинейных активных приемников.
3. Проверена степень адекватности математического описания ДВАХ лампы ДНаЗ-400, что позволяет использовать его при исследованиях и разработке ПРА лампы. Среднеквадратическая погрешность не превышает 2 %.
4. Обосновано применение частотного метода исследования ПРА с лампами ДНаЗ-400, который позволяет получить наглядную и достаточную для практического применения методику обоснования параметров ПРА.
5. Предложены и обоснованы параметры ряда схемных решений ПРА, обеспечивающих заданный уровень проникновения тока третьей гармоники в сеть и снижение тем самым потерь мощности в линии более чем на 20 %.
6. Предложено схемное решение и экспериментально обоснованы параметры дополнительного устройства к стандартной ПРА лампы ДНаЗ-400, обеспечивающее снижение тока третьей гармоники на 30-40 %.
7. Предложенные решения позволят обеспечить номинальный по токам режим работы трансформаторов. Ожидаемый экономический эффект от применения дополнительного устройства к стандартной ПРА в ЗАО «Агрофирма «Выборжец» может составить ~264 000 руб./год за счет снижения потерь электрической энергии. Срок окупаемости капительных затрат 4,7 года. Расчет проведен при стоимости электрической энергии 1=1,72 руб./кВтч и количестве ламп 7560 штук.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях

1. Васильев, Н.В. Моделирование установившегося рабочего процесса лампы ДНаТ // Проблемы аграрной науки на современном этапе: Сборник научных трудов СПбГАУ. СПб: Изд–во СПбГАУ, 2004. С. 147–153.
2. Петров, В.Ф., Васильев, Н.В. Снижение влияния нелинейности характеристик лампы ДНаТ на режимы сети 0,38 кВ // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: Сборник научных трудов СПбГАУ. СПб: Изд–во СПбГАУ, 2006. С. 179–183.
3. Петров, В.Ф., Васильев Н.В. Снижение третьей гармонической составляющей фазн
   
   
   Pages:     | 1 |

   2

   |