Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ПРИ ПОНИЖЕННОМ КАЧЕСТВЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
I.I. Измерительные преобразователи мощности высокого класса точности
1.2.Основные и вторичные потоки энергии в системах электроснабжения с резкоперемеиными нагрузками
1.3.Контроль качества электроэнергии в системе электроснабжения резкопеременных нагрузок 32
1.4.Выводы
Глава 2.ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ РЕЗКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК
2.1. Измерительный преобразователь мощности с опорным треугольным напряжением
2.2.Методическая погрешность ИПМ с опорным треугольным напряжением
2.3.Измерительный преобразователь мощности с двумя интеграторами
2.4.Разработка способа измерения вторичных активной и реактивной мощностей модулированных токов ;.
2.5.Измерительный преобразователь вторичной мощности модулированных токов ?,
2.6.Методические погрешности измерительного преобразователя вторичной мощности
2.7.Выводы
Глава 3.РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТИ'
3.1. Анализ составляющих погрешностей измерительного преобразователя вторичной мощности
3.2.Фильтры нижних частот
3.3. Синхронный генератор :...
3.4.Блок формирования проекций напряжения и тока
3.5.Блок исключения средних составляющих сигнала
3.6.Блок перемножения топ
3.7.Выходное устройство ...
3.8. Опенка суммарной погрешности ИПВМ
3.9.Выводы
Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Назначение и основные характеристики измерительного преобразователя основной и вторичной мощности
4.2.Условия испытания. Установка для испытаний
4.3.Схема испытания. Методика определения вторичной и основной мощностей по показаниям приборов
4.4.Программа испытаний измерительного преобразователя
4.5. Экспериментальные исследования 7..
4.6.Выводы
3 а к л ю ч е н и е
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Измерительные преобразователи мощности высокого класса точности
- Измерительный преобразователь мощности с опорным треугольным напряжением
- Анализ составляющих погрешностей измерительного преобразователя вторичной мощности
- Назначение и основные характеристики измерительного преобразователя основной и вторичной мощности
Введение к работе
Объем производства электрической энергии является одним из важнейших показателей экономики. Советский Союз имеет в этой области огромные достижения, маштабны и напряженны дальнейшие планы развития электроэнергетики. Возводятся и начинают действовать все более мощные ГЭС, ГРЭС, АЭС. К конпу этого столетия предполагается появление электростанпий на термоядерном топливе.
Неуклонно увеличивается мощность потребления электроэнергии и проявляется тенденция к росту удельного веса нагрузок, снижающих качество -..электрической энергии.
В соответствии с ГОСТ 13109-67 показателями качества электрической энергии являются: отклонение частоты, отклонение напряжения, колебания частоты, колебания напряжения, несинусоидальность формы кривой напряжения, смещение нейтрали в трехфазных иепях и несимметрия напряжения основной частоты.
Снижение таких показателей качества энергии как отклонения колебания напряжения, искажения формы кривой напряжения, несимметрия происходит в пропессе транспортировки и потребления электроэнергии.
Нагрузками, искажающими качество энергии являются дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции, вентильные приводы, прокатные станы и др.
В то же самое время увеличивается число предприятий, на которых технологические пропессы весьма критичны к качеству электроэнергии.
Кроме того, наличие искажений в энергосистеме приводит к дополнительным потерям энергии, ускоряет износ оборудования, в отдельных случаях может привести к аварийным ситуациям,
Большим вкладом в работу по повышению качества электроэнергии было принятие ГОСТа 13109-67 [2i~\ , нормирующего показатели качества электроэнергии (ПКЭ). Годы применения этого ГОСТа выявили его слабые стороны, в настоящее время многими научными коллективами ведется большая работа по обоснованию допустимых ПКЭ, предлагаются новые показатели, разрабатывается методика их измерения.
Это очень важная и сложная задача: слишком "мягкие" допустимые ПКЭ приводят к народнохозяйственному ущербу, а слитком "жесткие" обусловливают дополнительные капиталовложения в энергетическое хозяйство.
Снижение качества электроэнергии приводит к дополнительным потерям, которые можно непосредственно измерять. Для этого потребуются специальные приборы, которые в настоящее время нашей промышленностью не выпускаются.
Существующие способы контроля качества электроэнергии сводятся к контролю качества по напряжению. При этом невозможно количественно опенить участие данного энергоприемника в снижении качества электроэнергии. Искажающие энергоприемники (нелинейные, несимметричные, резкопеременные) вызывают перетоки вторичных мощностей, что приводит к дополнительным потерям и снижению качества электроэнергии.
До недавнего времени измерение мощности и энергии в энергосистеме производилось приборами сравнительно невысокого класса точности. Вторичные мощности искажающих нагрузок при этом не учитывались. Для повышения точности измерения необходимо учитывать перетоки вторичных мощностей, обусловленные преобразовательными свойствами искажающих нагрузок.
Цель и задачи исследования. Целью диссертапионной работы является повышение точности измерения мощности в системах электроснабжения с резкопеременными нагрузками.
Поставленная пель определила задачи исследования. ..... 6 -
I.Разработка теоретически обоснованного способа измерения мощности в системах электроснабжения резкопеременных нагрузок с учетом их преобразовательных свойств.
2.Разработка и исследование измерительных преобразователей мощности.
Работа проводилась на кафедре теоретических основ электротехники Ульяновского политехнического института в плане хоздоговорной тематики с Витебским заводом электроизмерительных приборов, научный руководитель темы - к.т.н., допент Зыкин Ф.А.
Работа выполнялась в соответствии с постановлением Госкомитета Совета Министров СССР по науке и технике № 415 от 18.II.76 г. и приказом Министерства приборостроения, средств автоматизапии и систем управления СССР № 426 от 17.12.76 г. Работа входит во Всесоюзную комплексную пелевую программу 0Ц.003 "Повышение качества электроэнергии по напряжению и снижение потерь в электрических сетях", разработанную Министерством энергетики СССР и утвержденную Госкомитетом по науке и технике при Совете Министров СССР.
Структура диссертации. В первой главе проведен анализ работ, посвященных повышению качества электрической энергии, измерению и расчету колебаний напряжения. Рассмотрены энергетические пропессы в системах с резкоперемеиными нагрузками и сделан вывод о необходимости учета преобразовательных свойств таких нагрузок с пелью повышения точности измерения и контроля качества электроэнергии. Проведен аналитический обзор существующих преобразователей активной мощности высокого класса точности, рассмотрена возможность их применения для измерения мощности резкопеременных нагрузок.
Во второй главе предложен способ измерения мощностей в системах электроснабжения резкопеременных нагрузок, учитывающий их преобразовательные свойства и удобный для приборной реализации. Разработаны устройства для измерения суммарной мощности, основной и вто- -7_ ричной мощностей модулированных токов. Исследованы методические погрешности разработанных преобразователей.
Третья глава посвящена анализу инструментальных погрешностей и оптимизации параметров разработанных измерительных преобразователей и их отдельных узлов.
В четвертой главе разработана методика испытаний измерительных преобразователей основной и вторичной мощностей модулированных токов, для реализапии которой создано устройство, моделирующее рез-копеременную нагрузку. Приводятся результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна работы „заключается: в выводе уравнения основной и вторичной активных и реактивных мощностей модулированных токов в форме, удобной для приборной реализапии; в разработке способов измерения суммарной, основной и вторичной мощностей для систем электроснабжения с резкопеременными нагрузками, обеспечивающих высокую точность преобразования суммарной и основной мощностей и позволяющих разработать приборы для непосредственного измерения дополнительных потерь мощности в электрических сетях, обусловленных искажающими свойствами резкопеременных нагрузок; в выводе аналитических выражений, позволяющих оценить методические и инструментальные погрешности измерительных преобразователей мощности, реализующих вышеуказанные способы; в разработке методики поверки измерительных пребразовате-лей основной и вторичной активных мощностей модулированных токов.
Практическая ценность работы состоит: в разработке измерительного преобразователя суммарной мощности Е848,превосходящего известные устройства аналогичного назначения и точности измерения (кл. 0,2); в разработке нового измерительного преобразователя основной - 8-и вторичной мощностей модулированных токов E843/I, впервые учитывающего преобразовательные свойства разкопеременных нагрузок и позволяющего непосредственно измерять дополнительные потери в электрических сетях, обусловленные искажениями; - в выработке рекомендаций об использовании вторичной мощности в качестве дополнительного критерия качества электрической энергии, позволяющего опенить степень участия резкопеременной нагрузки в снижении качества.
Реализапия работы .Измерительный преобразователь активной суммарной мощности Е848 (кл. 0,2) серийно выпускается Витебским заводом электроизмерительных приборов. Экономический эффект от внедрения преобразователя составляет 1680 тыс.руб. на 50 приборов (долевое участие автора - 20 %),
Измерительный преобразователь основной и вторичной мощностей модулированных токов прошел заводские испытания и поставлен в опытную эксплуатацию в энергосистмах Мосэнерго, Ульяновскэнерго и на Горьковском автозаводе. Класс точности прибора по основной мощности - 0,5, по вторичной - 4. Расчетный экономический эффект от внедрения преобразователя составляет 16000 рублей в год на один прибор.
Постановлением Министерства высшего и среднего специального образования СССР и центрального комитета профсоюза работников про-священия и научных учреждений за № 1467 от 31.12.80 НИР "Разработка измерительных преобразователей активной, реактивной мощностей в трех- и четырехпроводных пепях", в которой нашли отражение многие основные положения данной диссертапии была признана лучшей с присуждением авторам второй премии, дипломов и медалей лауреатов.
Измерительные преобразователи мощности высокого класса точности
В настоящее время отечественной промышленностью выпускается несколько типов измерительных преобразователей активной и реактивной мощностей переменного тока класса точности 0,5. В последние годы появились измерительные преобразователи мощности (ИПМ) класса 0,2. Следует отметить, что в настоящее время в СССР нет контрольно-измерительной аппаратуры, позволяющей поверять ИПМ с классом точности выше чем 0,2. Поэтому разрабатываемые приборы, которые принципиально (по расчету инструментальных и методических погрешностей) могут соответствовать более высоким классам при данном уровне метрологического обеспечения по результатам испытаний можно отнести только к классу 0,2.
В данном параграфе рассматриваются описанные в отечественной и зарубежной литературе ИПМ, претендующие на класс точности выше чем 0,5, к таким относятся электронные приборы с время-импульсным или цифровым преобразованием сигналов.
В Ульяновском политехническом институте разработано несколько типов электронных ИПМ, среди них двухтактный измерительный преобразователь мощности
Преобразователь относится к числу широтно-импульсных и амплитудно-импульсных преобразователей.
Произведение формируется в два такта: первый такт - запоминание мгновенных значений, второй - перемножение. Результаты перемножения суммируются и преобразуются в частоту.
Измерительный преобразователь мощности с опорным треугольным напряжением
Резкопеременные нагрузки вызывают в энергосистеме модуляпию напряжений и токов. Измерение основной мощности целесообразно производить согласно уравнению (1.10, то есть непосредственно измерять суммарную и вторичную мощности.
В качестве измерительного преобразователя суммарной мощности должен быть использован прецизионный Прибор, который является основным узлом измерительного преобразователя основной и вторичной мощности, определяющим точность всего комплекса в пелом.
Для измерения суммарной мощности при всех видах искажений разработан ИЇЇ активной мощности с опорным треугольным напряжением [ 7, 3 , ЦЦ t Ц5 \ f устройство которого описано ниже.
Структурная схема преобразователя, построенного на основе однофазного ИПМ, приведена на рис. 2.1. Для измерения активной мощности трехфазной пепи используются трехфазные коммутаторы напряжения (КН) и тока (КГ), управляемые логическим блоком (ЛБУ). Переключения производятся пофазно, т.е. каждая фаза подключается поочередно на время равное длительности периода колебаний напряжения Т. Такой принпип построения, применяемый в трехфазных ИПМ, позволил снизить аппаратурные затраты и уменьшить габариты прибора при сохранении высокой точности измерения [92,93,94, ].
Рассмотрим работу прибора при измерении активной мощности одной фазы. Напряжение преобразуется блоком сравнения (БС) в последовательность импульсов длительностью X путем сравнения с однополярным треугольным опорным напряжением, подаваемым с генератора треугольного напряжения (ГТН). Полярность подключаемого напряжения определяется ЛБУ. Длительность К-го импульса, как видно из рис. 2. равна где: Чем. - период колебаний ГТН; Uon - опорное напряжение ГТН; U-K - напряжение в течение К-го периода ГТН, практически
Из выражения(2.5) видно, что напряжение на выходе Инт пропор-пионально энергии за период основной частоты.
При постоянстве частоты мощность прямо пропорциональна энергии переменного тока за период. Однако, изменение частоты приводит к погрешности измерения мощности устройством, реализующим уравнение (2.5). Для исключения частотной погрешности в ИПМ вводится операпия деления интеграла (2.5) на Т. Это реализуется следующим образом.
Опорное напряжение " огь формируется зависимым (прямо пропорционально) от периода основной частоты путем интегрирования постоянного тока I , источником которого является генератор опорного тока (ГОТ), в течение времени Т в соответствии с выражением: С учетом (2.6) и (2.5) напряжение интегратора пропорционального мощности одной фазы,определится уравнением:
Для получения сигнала,пропорционального трехфазной мощности, однофазный преобразователь поочередно подключается к каждой фазе. Таким образом, за время, равное трем периодам (ЗТ), напряжение на выходе интегратора определится суммой
В соответствии с алгоритмом работы ИПМ на выходе интегратора формируется напряжение, иллюстрируемое на рис. 2.3. За интервал времени от 0 до ЗТ формируется положительное напряжение, значение которого в коше интервала определяется выражением (2.8)
Анализ составляющих погрешностей измерительного преобразователя вторичной мощности
При разработке принципиальной схемы ИПВМ модулированных токов необходимо предварительно определить требования к точности разрабатываемого устройства. Как отмечалось выше (п.1.2), величина активной вторичной мощности составляет 0,3 3 % и вторичную мощность допустимо измерять прибором класса точности 4.0.
Погрешности измерительного преобразователя вторичной мощности зависят от параметров входных сигналов (тока и напряжения контролируемой пепи) и инструментальных погрешностей отдельных узлов прибора. Перед разработкой принпипиальных схем последних пелесообраз-но по структурной схеме ИПВМ опенить составляющие суммарной погрешности.
Одним из источников погрешностей при измерении вторичной мощности резкопеременной нагрузки является наличие высших гармоник в токе и напряжении контролируемой пепи. Исходя из этого,напряжение и ток на зажимах ИПВМ можно представить в виде:
- средние геометрические значения амплитуд первых гармоник напряжения и тока;
- начальные фазы среднегеометрических составляющих первых гармоник;
- основная частота сети;
- частота модуляции;
- амплитуды отклонений от среднегеометрических значений первой гармоники напряжения и тока соответственно;
Ч начальные фазы отклонений напряжения и тока;
Т амплитуды высших гармоник напряжения и тока; итк, J-mjc
Ф. - начальные фазы высших гармоник напряжения и тока.
Как видно из выражения (3.1), во входных сигналах присутствуют высшие гармоники напряжения и тока, также модулированные по амплитуде и фазе; эту часть сигналов необходимо подавить фильтрами низких частот (ФНЧ). Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики любого ФНЧ определяют дополнительную погрешность ИПВМ ц при изменении основной частоты. Для учета этой погрешности введем зависимые от основной частоты коэффициенты А,, ) и Аа(с ) и дополнительные фазовые сдвиги 4 ( ) и %, () , моделирующие влияние ФНЧ напряжения и тока соответственно. Необходимо отметить, что фильтры низких частот должны иметь практически неизменное значение АЧХ в полосе 45 55 Гп и крутой спад характеристики в области высших гармоник кратных основной частоте.
Назначение и основные характеристики измерительного преобразователя основной и вторичной мощности
Ульяновским политехническим институтом в содружестве с СКВ Витебского завода электроизмерительных приборов с 1976г. ведутся работы по созданию прецизионных измесительных преобразователей мощности. В 1979г. на ВЗЭП внедрен ИПМ класса точности 0,2, разработанный на базе преобразователя мощности с опопным треугольным напряжением (см.Приложение). С 1981г. программа выпуска Е848 -50 штук в год, экономический эффект составил 1680 тыс.руб. на 50 штук.
На основе разработанного измерительного преобразователя вторичной мощности и ИП Е848 созданы и испытаны опытные образцы измерительного преобразователя основной и вторичной мощности модулированных токов Е843/І.
Входные пепи прибора подключаются ко вторичным обмоткам стандарт ных измерительных трансформаторов (100 В, I 5 А). Прибор имеет два выхода, на которых формируются аналоговые сигналы в виде постоянных напряжений, пропорпиональных активным основной и вторичной мощностям. Пределы изменения выходных напряжений 0 10 В.
По принципу действия прибои реализует уравнение (2.40), формируя на выходе сигнал, пропорциональный вторичной мощности и6ых.л = КЛт - 135 Основная мощность и выходное напряжение, ей пропорциональное формируются в соответствии с уравнениями:
Прибор предназначен для измерения мощностей при размахе колебаний напряжения до 20 % и тока до 60 %, В ИП E843/I предусмотрены два предела измерения вторичной мощности. При установке на первый предел преобразователь изменяет вторичную мощность при колебаниях напряжения до 5 % и тока до 20 %.
При установке на второй предел преобразователь измеряет вторичную мощность при колебаниях напряжения до 20 % и тока до 60 %.
При необходимости изменения пределов измерения прибор может легко перестраиваться. Прибор переносной и располагается в двух корпусах с габаритами размером 220x170x190 мм каждый.
Пределы допускаемой основной приведенной погрешности:
- при измерении основной мощности 0,5 %;
- при измерении вторичной мощности 4,0 %.
Конструкция прибора должна обеспечивать возможность его эксплуатации в условиях,соответствующих группе 5 по ГОСТ 22261-76,
Три опытных образна переданы для опытной эксплуатации в Мосэнерго, в Ульяновскэнерго, в Горьковский политехнический институт для измеоений мощности в сетях Горьковского автомобильного завода.
