Document 955463

На правах рукописи
ВАСИЛЬЕВ НИКОЛАЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ
СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В
СЕТИ 0,38 кВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ
ТЕПЛИЧНЫХ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК, ПУТЕМ
МОДЕРНИЗАЦИИ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ
специальность 05.20.02 – Электротехнологии и
электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2008
2
Работа выполнена на кафедре электротехники и электроснабжения в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный аграрный университет.
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Петров Владимир Федорович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Епифанов Алексей Павлович,
кандидат технических наук, старший научный
сотрудник
Гулин Сергей Васильевич
Ведущая организация: ГНУ «Северо-Западный научно-исследовательский
институт механизации и электрификации сельского хозяйства»
Защита состоится «11» декабря 2008 г. в 1330 на заседании диссертационного
совета Д 220.060.06 в ФГОУ ВПО СПбГАУ, по адресу: 196601, СанктПетербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, ауд.719.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО СПбГАУ.
Автореферат разослан 06.11. 2008 г.
Автореферат размещен на сайте http://www.spbgau.spb.ru/
06.11.2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор
В.А. Смелик
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В осенне-зимний период, при недостаточном по интенсивности и продолжительности освещении, в теплицах и оранжереях естественное освещение дополняют искусственным. Наиболее подходящим для искусственного
облучения являются широко используемые в настоящее время разрядные зеркальные натриевые лампы ДНаЗ REFLUX (далее ДНаЗ). Эти лампы успешно
эксплуатируются общим парком около 300 тысяч штук более чем в 100 тепличных хозяйствах России и стран ближнего и дальнего зарубежья. За счет
особенности конструктивного решения, заключающегося в создании на колбе
отражающего профиля продольной ориентации, светильник с лампой ДНаЗ400 позволяет экономить электроэнергию до 60%, а затраты на обслуживание
до 30%.
Вольтамперная характеристика ламп ДНаЗ имеет нелинейный характер, что приводит к появлению в сети высших гармоник тока, причем только
нечетных из-за симметричности характеристики относительно начала координат. Наличие гармоник приводит к: перегреву и разрушению нулевых проводников кабельных линий; искажению синусоидальности питающего
напряжения; ухудшению условий работы батарей конденсаторов; сокращению срока службы электрооборудования; необоснованному срабатывание
предохранителей и автоматических выключателей; помехам в сетях телекоммуникаций; дополнительным потерям энергии в электрических машинах и
трансформаторах и др. В симметричной трехфазной системе при симметричной нагрузке фазные токи основной частоты и высшие гармоники, не кратные
трем, образуют системы прямой и обратной последовательности, в результате
чего сумма этих токов в нейтральном проводнике равна нулю. Гармоники же,
кратные трем, образуют систему нулевой последовательности, т.е. имеют
одинаковые значения и направления, поэтому ток в нейтральном проводе равен утроенной сумме токов высших гармоник нулевой последовательности.
При использовании облучательных установок с лампами ДНаЗ-400 в
нейтральном проводе наблюдается значительный ток даже при симметричности нагрузок по фазам. Исследования, проведенные в производственных
условиях ЗАО «Агрофирма «Выборжец» показали, что величина тока в
нейтрали составляет 0,6-0,9 фазного тока, а ток нейтральной шины трансформатора содержит в основном третью гармонику. С учетом полной загрузки
силовых трансформаторов номинальными фазными токами ток в нейтральном проводе превосходит допустимый ток нейтрали трансформатора, что
приводит к дополнительным потерям энергии и возможному выходу его из
строя. Поскольку более 90% светокультуры огурца и зеленных культур в России осуществляется с использованием ламп ДНаЗ, то снижение потерь энергии из-за нелинейности этих ламп является актуальной задачей и имеет отраслевой характер.
4
Объекты исследования: лампа ДНаЗ-400; облучательная установка,
включающая пускорегулирующую аппаратуру (ПРА) светильника ЖСП
30-400-001 У5 "REFLUX"; модернизированные ПРА и облучательный комплекс с этими лампами.
Предмет исследования: процессы в электротехнической части тепличных облучательных установок и распределительной сети 0,38 кВ.
Цель исследования.
Целью настоящей работы является обоснование способов и технических средств снижения дополнительных потерь энергии в сети 0,38 кВ, обусловленных нелинейностью тепличных облучательных установок с лампами
ДНаЗ-400, путем модернизации ПРА светильника.
Методы исследования.
Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и
экспериментальных исследований. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники. Моделирование частотным методом и численным методом Эйлера, математическое разложение функций проводились с использованием персонального компьютера.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработана методика и технические средства получения математического
описания динамической вольтамперной характеристики (ДВАХ) лампы.
2. Обосновано применение частотного метода для исследования электромагнитных процессов в ПРА ламп с дуговым разрядом.
3. Обоснованы схемы и параметры ПРА, обеспечивающие многократное снижение тока третьей гармоники в облучательных установках с лампами ДНаЗ400.
4. Теоретически и экспериментально показана возможность требуемого снижения дополнительных потерь электрической энергии и тока третьей гармоники в нейтральном проводе распределительной сети 0,38 кВ минимальной
модернизацией ПРА, используемой для ламп ДНаЗ-400.
На защиту выносится: математическое описание ДВАХ лампы ДНаЗ400 и методика ее определения; методика определения структуры и параметров ПРА частотным методом; схемы и параметры ПРА лампы ДНаЗ-400,
обеспечивающие фильтрацию токов третьей гармоники и, тем самым, снижение дополнительных потерь энергии, обусловленных этим током; схемы и
параметры дополнительного устройства для штатного ПРА лампы ДНаЗ-400,
обеспечивающие требуемое снижение тока третьей гармоники в нейтральном
проводе и дополнительных потерь электрической энергии в сети 0,38 кВ.
Реализация результатов работы. Материалы исследования используются в учебном процессе при подготовке инженеров-электриков по специальности 110302.65 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».
Разработанные методики и технические предложения рассмотрены службой
главного энергетика ЗАО «Агрофирма «Выборжец», где она применялась для
модернизации облучательных установок.
5
Апробация работы.
Материалы диссертации доложены, обсуждены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых СевероЗападного Федерального округа “Молодые ученые в научном обеспечении
сельского хозяйства на современном этапе” в ФГОУ ВПО СПбГАУ в 2003 г.
и ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в ФГОУ ВПО СПбГАУ в 2004-2006 гг.
Публикации.
Основные положения диссертационной работы изложены в 4 статьях.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 93 наименований (в т.ч. 8 на иностранных языках) и 3 приложений, включает 136 страниц, 40 рисунков, 24 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели
исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту
диссертации, а также данные о практической ценности и научной новизне
работы.
В первой главе «Характеристики тепличных облучательных установок. Задачи исследований» подробно рассмотрены основные негативные эффекты, вызываемые высшими гармониками напряжения и тока, и методы
снижения влияние этих факторов. Вопросами снижения дополнительных потерь от несинусоидальности приемников занимались многие ученые. Среди
российских можно отметить Жежеленко И.В., Афанасьеву Е.Б., Скобелева
В.М., Краснопольского А.Е. и Фугенфирова М.И., исследовавших влияние
высших гармоник в системах электроснабжения и рассматривающих газоразрядные лампы, как источники высших гармоник. Подходы к решению данной
проблемы рассмотрены в работах Ф.Д. Косоухова, В.Н. Карпова, С.В. Гулина
и других ученых.
Для действующих электроустановок модернизация пускорегулирующей аппаратуры является доступным и рациональным решением проблемы
снижения потерь энергии в сети 0,38 кВ. Моделирование электротехнической
части облучательной установки с лампами ДНаЗ-400 требует математического описания ДВАХ самой лампы. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи исследований:
1. Разработка технических средств и методики определения математического
описания ДВАХ газоразрядных ламп и проверка степени адекватности математического описания ДВАХ.
2. Разработка математической модели облучательной установки с лампой
ДНаЗ-400.
6
3. Обоснование возможности применения частотного метода для исследования облучательной установки с лампой ДНаЗ-400 с целью определения возможных схем и параметров ПРА.
4. Обоснование схем и параметров модернизированных ПРА, обеспечивающие снижение потерь электрической энергии и тока третьей гармоники в
нейтральном проводе сети 0,38кВ до допустимого значения.
5. Экспериментальное подтверждение возможности снижения тока третьей
гармоники минимальной модернизацией ПРА.
Во второй главе «Потери мощности в сетях 0,38 кВ от высших гармоник» приведена методика учета дополнительных потерь мощности в сетях
0,38 кВ, обусловленных наличием высших гармоник в кривых токов. Коэффициент, учитывающий дополнительные потери мощности в линии при симметричной несинусоидальной системе токов:
I2
I 2  R  3 RN 
P
(1)
 ,
k    1   (2k )   (2j )  Ф
P
I
I
R
k
j
(1)
(1) 
Ф

где ΔPω – потери при симметричной несинусоидальной системе токов; ΔP –
потери при симметричной синусоидальной системе токов; I(1) – ток первой
гармоники; I(k) – токи высших гармоник, за исключением гармоник, кратных
трем; I(j) – токи высших гармоник, кратных трем; RФ, RN – сопротивления
фазного и нулевого проводов соответственно.
Приняв сопротивления RФ и RN равными, получен коэффициент дополнительных потерь мощности от несинусоидальности токов k'ω, показывающий
превышение дополнительных потерь по отношению к потерям при синусоидальной системе токов:
I2
I2
(2)
k'  k  1   (2k )  4  ( 2j ) .
I
I
k
j
(1)
1
В третьей главе «Математическое описание динамической вольтамперной характеристики лампы ДНаЗ -400» определены электрические
параметры элементов ПРА; разработаны методика и технические средства
определения ДВАХ лампы ДНаЗ-400; разработана математическая модель
облучательной установки с лампой ДНаЗ-400 и проверена степень адекватности математического описания ДВАХ.
ДВАХ получена экспериментальным путем. Основой экспериментальной
установки (рис.1) является ПРА светильника ЖСП 30-400-001 У5 "REFLUX", в состав которой входят дроссель, импульсное зажига ющее
устройство (ИЗУ), два конденсатора С1 и С 2 и лампа ДНаЗ-400.
7
Рис. 1 Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки:
где i1 – фазный ток; iЛ – ток лампы; L', L'' - обмотки штатного дросселя; ИЗУ - импульсное зажигающее устройство; С1 и С2 – штатные конденсаторы; EL - лампа ДНаЗ400; ИК - измерительный комплекс; FU – предохранитель; TV1 – трансформатор
напряжения; TT1 – трансформатор тока; R, RД – резисторы
Для проведения исследований был использован измерительный
комплекс на базе микроконтроллера М 167-2 фирмы "Siemens", который
записывает значения токов и напряжений в файл персонального компьютера. Графики мгновенных значений и первых гармоник тока и напряжения лампы представлены на рис. 2.
iл, А
uл, В
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
uл(1)
uл
T/4
T/2
t
3T/4
T
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
iл
iл(1)
t
T/4
T/2
3T/4
T
(а)
(б)
Рис. 2 Мгновенные значения и первые гармоники напряжения (а) и тока (б) лампы
ДВАХ лампы ДНаЗ-400 получена путём сопоставления напряжения лампы соответствующему ей току в каждый момент врем ени.
График ДВАХ лампы ДНаЗ-400 показан на рис. 3.
8
Рис. 3 ДВАХ лампы ДНаЗ-400
Разработана методика разложения ДВАХ лампы ДНаЗ-400 в ряд:

u Л   a n  ( i Л  a )n .
(3)
n 0
ДВАХ симметрична относительно начала координат и является нечетной функцией, поэтому математическое описание, полученное для первого
квадранта, применимо к третьему квадранту с учетом знака. Петля ОLМО была разбита на три участка ОL, LМ и МО, на каждом из которых выполняются
требования разложения в степенной ряд. Коэффициенты ряда (3) рассчитаны
до одиннадцатого порядка.
Для оценки точности математического описания ДВАХ определена среднеквадратическая погрешность σΔ:
р
Δ 
 u
i 1
 u РАСЧ(i)
2
ОП(i)
р 1
 1,64 B  1% от U МАХ  ,
(4)
где uОП (i), uРАСЧ (i) – экспериментально полученные и рассчитанные по формуле (3)
значения напряжения лампы , В; p – число временных отрезков в периоде Т.
Рис. 4 Схема замещения стандартной ПРА с лампой ДНаЗ-400:
где i1 , iЛ, iC12 – токи фазный, лампы и конденсаторов; u, uЛ, uC12 – напряжения источника, на лампе и на конденсаторах; L',L'' и R',R'' – индуктивности и активные сопротивления обмоток штатного дросселя; М – взаимная индуктивность; С12 –конденсатор,
эквивалентный по емкости двум штатным; ЕL – лампа ДНаЗ
9
Расчет цепи, электрическая схема замещения которой представлена на
рис. 4, произведен методом Эйлера. Параметры цепи (рис. 4) определены экспериментальным путем. Сравнение опытных и расчетных токов и напряжений
проводилось сопоставлением амплитуд гармоник, для чего расчетные значения
токов и напряжений раскладывались в ряд Фурье.
Сравнение частотного спектра (здесь и далее четные гармоники не указываем ввиду их нулевого значения) фазного тока, тока и напряжения лампы,
полученных методом Эйлера, с опытными значениями представлены на гистограммах (рис. 5).
UЛ(K), В
125
100
75
50
25
0
1
3
5
7
9
11
13
15
k
k
а)
IЛ(K), A
5
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11
13
15
k
б)
I1(K), A
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11
13
15
k
в)
Рис. 5 Сравнение расчетных и опытных токов и напряжений:
где а) напряжение на лампе, б) ток лампы, в) фазный ток, k – номер гармоники,
Расчет
Опыт
10
Действующие значения фазного напряжения и тока источника, напряжения,
тока и мощности лампы представлены в таблице 1.
Таблица 1 Действующие значения фазного напряжения и тока источника,
напряжения, тока и мощности лампы
Опыт
Расчет
I1, А
U, В
IЛ, А
UЛ, В
РЛ, Вт
2,275
2,286
220
220
4,4
4,4
109
109
430
426
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'ωСТ = 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 выраn
жена уравнениями рядов одиннадцатого порядка u  a  (i  a)k , коэффиЛ

k 0
k
Л
циенты 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.
11
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)
U  I Л R'  I Л j ωL'  I Л R"  I Л j ωL"  I Л 2 j ωM  I Л RЛ .
Тогда ток лампы: I  U
Л
(6)
(2R'  RЛ )2  (2ω(L'  M)) 2
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.
IЛ, A
5
4
3
2
1
0
1
Рис. 6 Расчетное и опытные значения тока лампы
k
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):
U Л(K)  I Л(K) R'  I Л(K) jkω L'  I Л(K) R"  I Л(K) jkω L"  I Л(K) 2 jkωM . (7)
Тогда действующее значение высших гармоник напряжения на лампе:
U Л(К)  2 I Л( K ) R' 2 (kω(L'  M))2 .
(8)
12
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.
UЛ, В
60
50
40
30
20
10
0
3
5
7
9
11
13
15
k
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).
13
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 kтой гармоники фазного тока к первой:
I 1(k) I л(k)
1  (kω )2 С3 (M 1  M 2  M 11  M 22 )


х
I 1(1) I л(1) (1  (kω ) 2 С3 (L1  L2  2M 12 ))2  (kωC3 (R1  R2 ))2 
(9)
х
1  ω2 С3 (M 1  M 2  M 11  M 22 )
.
 L12 ))2  (ωC3 (R11  R21  RЛ ))2 
Зависимость отношения третьей гармоники фазного тока к первой для разных
m от емкости конденсатора С3 показана на рис. 10.
(1  ω С (L
2
3
1
1
I1(3)/I1(1), 0,15
m=0,8
0,10
m=0,9
0,05
0,00
m=1
25
50
75 С3, мкФ
Рис.10 Графики отношений третьей гармоники фазного тока к первой в зависимости
от емкости конденсатора С3 для разных m
14
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)
0,15
0,015
0,072
I1(9)/I1(1)
0,019
Коэффициент дополнительных потерь мощности k'ω1=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:
I1(k) I л(k)
(1  (kω )2 С3 (M 11  M 1 ))


х
I1(1) I л(1) (1  (kω )2 С3 (L1  Lll  2M 12 ))2  (kωC3 (R1  Rll ))2 
(10)
х
(1  ω2 С3 (M 11  M 1 ))
(1  ω С L )
2
1 2
3 1
 (ωC3 (RЛ  R11 ))2 
.
15
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'ω2=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:
I 1(k) I л(k)
R 2  (k ω (L  M 11  M 1 )  1/(kωС 3 )) 2


х
I 1(1) I л(1) (R  R1  R ll ) 2  (kω(L1  Lll  L  2M 12 )  1/(kωC 3 )) 2
(11)
х
R 2  ( ω (L  M 11  M 1 )  1/( ω С 3 )) 2
.
(R  R1  R ll ) 2  ( ω (L11  L)  1/( ω C 3 )) 2
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)
Коэффициент дополнительI1(3)/I1(1) I1(5)/I1(1) I1(7)/I1(1) I1(9)/I1(1)
ных потерь мощности k'ω3=0,092.
0,15
0,033
0,019
0,006
Использование
схемы включения
16
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):
2
2

 
1
2(L  M) 
 (2R  RЛ )

 3Rkω L    2R 2  (k ω)2 (L2  M 2 ) 
kωC3
C3
 
 . (12)
z(k)  
2
 1

R 2  
 kω L 
kω
C
3


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)
17
k
-
1
3
5
7
9
zСТ (k)
Ом
Ом
39,0
51,6
116,4
1604,7
193,9
219,1
271,5
290,3
349,0
370,4
z(k)
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)=φ(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'ω4=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 ем-
18
кости 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).
I1(K), A
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11
13
15
k
Рис. 15 Сравнение расчетных и опытных гармоник фазного тока:
Опыт
где Расчет
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 φ, необходимо соединять
треугольником или звездой без нейтрального провода. Возможна компенсация реактивной мощности батареей трехфазных конденсаторов.
19
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 β1=1,72 руб./кВт∙ч и количестве ламп 7560 штук.
20
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 фазного тока в цепи с разрядными натриевыми лампами высокого давления // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. Вып. 3. СПб: Изд–во СПбГАУ, 2006. С. 100–102.
4. Васильев, Н.В. Моделирование электромагнитных процессов в осветительных установках с лампами ДНаЗ-400 // Известия СанктПетербургского государственного аграрного университета. Вып. 7. СПб: Изд–
во СПбГАУ, 2008. С. 146–150.
Подписано в печать 27.10.2008
Бумага офсетная. Формат 60Х90 1/16
Печать трафаретная. усл. печ. л. 1
Тираж 100 экз.
Заказ 1019
_________________________________________________________________________
Отпечатано с оригинал-макета заказчика
в копировально-множительном центре «АРГУС».
Санкт-Петербург–Пушкин, ул. Пушкинская, д. 28/21, тел.: (812) 451-89-88
Рег. №233909 от 07.02.2001