Введение к работе
Актуальность работы. Различные инициативы по энергосбережению в нашей стране, такие как Федеральный Закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», в качестве одной из основных задач ставят создание и внедрение энергоэффективного оборудования, эффективное энергопотребление, применение энергосберегающих технологий. Реализация этих задач среди прочего подразумевает замену устаревших низкоэффективных электроприемников (ЭП) современным оборудованием на базе силовой электроники, обеспечивающей увеличение коэффициента полезного действия (КПД) и срока службы электрооборудования, возможность работы интеллектуальных систем контроля и учета. Таким образом использование электроники для питания и управления ЭП, а именно источников вторичного электропитания (ИВЭ), в настоящее время видится панацеей при решении проблем энергоэффективности.
Большим потенциалом в области энергосбережения обладает жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ). С ростом мегаполисов, развитием городской инфраструктуры, бумом бытовой электроники в сети появился новый тип бытовых электрических нагрузок, характеризующийся распределенностью, малой мощностью входящих в него отдельных ЭП и высоким суммарным электропотреблением. В число этих ЭП входят энергоэффективные электроприборы и бытовая электроника, отличающиеся пониженным электропотреблением за счет применяемых в них ИВЭ.
Однако, несмотря на вышеназванные достоинства и незаменимость при построении схем питания бытовой электроники, ИВЭ имеют серьезный недостаток в виде нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) схемы и эмиссии высших гармонических составляющих (ВГ) входного тока в сеть. Тем самым инициативы по стимулированию использования бытового энергосберегающего оборудования вкупе с высоким насыщением электросетей нагрузками бытовой электроники способствуют росту суммарной нелинейной нагрузки и несинусоидальности напряжения в сетях ЖКХ, приводя к нарушениям КЭ и различным негативным эффектам для сетевого оборудования. В связи с этим возникает необходимость в выявлении «характерных» нелинейных бытовых ЭП, наиболее сильно влияющих на синусоидальность напряжения, а также в анализе эмиссии ВГ их тока под воздействием внешних факторов, таких как уровень несинусоидальности питающего напряжения, количество и состав соседних ЭП.
Цель работы заключается в разработке концептуального подхода к обеспечению электромагнитной совместимости бытовых электроприемников посредством выявления закономерностей эмиссии высших гармонических составляющих тока под действием внешних факторов и дачи рекомендаций по снижению несинусоидальности тока питания группы электроприемников
Основные задачи, решаемые в работе для выполнения поставленной цели:
-
Анализ номенклатуры бытовых ЭП с целью выявления наиболее важных источников ВГ тока и их типовых схем.
-
Аналитическое моделирование ВГ входного тока обобщенного нелинейного бытового ЭП.
-
Компьютерное моделирование ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.
-
Анализ влияния искажения напряжения питания и состава группы ЭП на эмиссию ВГ тока с помощью полученных моделей.
Методика исследования состоит в решении вышеперечисленных задач с помощью аппарата теории линейных электрических цепей, в частности классического метода расчета переходных процессов и анализа несинусоидальных режимов. Также были использованы численные методы решения трансцендентных уравнений (при определении параметров интервала проводимости мостового выпрямителя); методы усредненного моделирования высокочастотного режима работы преобразователя (при получении моделей ЭП с активной коррекцией коэффициента мощности). Для аналитических расчетов и компьютерного моделирования использованы программы MathCad и Matlab/Simulink.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:
-
Разработана аналитическая модель ВГ входного тока обобщенного нелинейного ЭП, учитывающая несинусоидальность напряжения питания и возможное наличие нескольких интервалов проводимости мостового выпрямителя.
-
Разработаны компьютерные модели ВГ входного тока «характерных» нелинейных бытовых ЭП.
-
Получены распределения векторов ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.
Практическая значимость работы состоит в предложенных практических рекомендациях по снижению уровня несинусоидальности тока питания совокупностей нелинейных бытовых ЭП посредством выбора электроприборов с противофазными векторами ВГ входного тока. В рамках совместной работы с Техническим Университетом Дрездена, результаты исследований включены в международную базу экспериментальных данных эмиссии ВГ тока бытовых ЭП «Panda – Equipment harmonic database».
Достоверность полученных результатов и предложенных практических рекомендаций подтверждается хорошим соответствием теоретических моделей экспериментальным измерениям, а также возможностью анализа экспериментальных данных с помощью предложенного научного инструментария.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Анализ номенклатуры бытовых ЭП по степени генерируемой ими несинусоидальности.
-
Типовые схемы бытовых нелинейных ЭП и обобщенная модель нелинейного ЭП.
-
Аналитическая модель обобщенной схемы нелинейного ЭП.
-
Компьютерные модели «характерных» нелинейных ЭП.
-
Типовые распределения ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.
-
Анализ эффектов компенсации ВГ тока при совместном питании группы ЭП.
Апробация работы состояла в представлении результатов исследований на научно-технических и международных конференциях и семинарах: «Всероссийская научно-практическая конференция «Федоровские чтения», Москва 2010», «Международная научно-практическая интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение – XXI век», Орел 2011», «Международная конференция по вопросам энергетики и экологии IncoNET EECA, Стамбул 2011», «Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», Казань 2012». В период с октября 2012 по март 2013 состоялась научная стажировка в институте «Электроснабжения и Высоковольтной и Высокотоковой Энергетики» Технического Университета г. Дрезден (IEEH TUD), в рамках которой был проведен анализ международного опыта при решении проблем несинусоидальности бытовых ЭП, состоялось представление результатов исследований немецким коллегам, намечены пункты совместного научного сотрудничества.
Публикации
Научные и практические результаты и основное содержание работы отражены в 8 публикациях и материалах конференций и научно-технических журналах, в том числе в двух статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, утвержденных Высшей Аттестационной Комиссией.
Структура и объем работы.Диссертационная работа изложена на 98 страницах, включая 11 таблиц и 42 иллюстраций. Список использованной литературы включает 79 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 1 приложения. Приложение представлено на 3 страницах.
