Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методик расчета колебаний напряжения в системах электроснабжения источников колебаний напряжения 14
1.1 История развития нормативной базы в области качества электрической энергии в сетях с резкопеременными нагрузками 14
1.2 Источники колебаний напряжения и их влияние на работу оборудования и человека 20
1.3 Методы расчета колебаний напряжения
1.3.1 Определение колебаний напряжения вероятностно-статистическим методом 25
1.3.2 Определение колебаний напряжения аналитическими методами 30
1.3.3 Способ расчета одиночных колебаний напряжения, возникающих при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором 1.4 Определение допустимых колебаний напряжения по кривым допустимых значений.. 34
1.5 Способы расчета дозы фликера. Проблемы, возникающие при использовании данных методов 38
Выводы по главе 1. Постановка задачи исследований в диссертации 41
Глава 2 Экспериментальные исследования электрических нагрузочных диаграмм электроприводов фанерного производства 44
2.1 Предварительное исследование электрических нагрузок деревообрабатывающих производств 44
2.2 Описание объекта экспериментального исследования 49
2.3 Программа проведения эксперимента .
2.3.1 Описание средств измерений. Схема подключения СИ 53
2.3.2 Определение шага квантования и длительности измерений
2.4 Статистическая обработка результатов исследований 59
2.5 Применение усредненных статистических нагрузочных диаграмм для решения задач электроснабжения 74
Выводы по главе 2 76
Глава 3 Разработка математических моделей графиков электрических нагрузок электродвигателей, работающих с резкопеременной цикличной нагрузкой 77
3.1 Формулировка требований к математической модели электрической нагрузки 77
3.2 Разработка моделей графиков резкопеременных электрических нагрузок 80
3.3 Математическая модель реактивной нагрузки 92
3.4 Способ расчета группового графика электрической нагрузки 94
3.5 Разработка алгоритма и программного обеспечения для автоматического расчета числовых характеристик группового графика нагрузки, представленного в виде сплайна 99
3.6 Пример расчета координат сплайн – функции группового графика 103
3.7 Применение способа расчета числовых характеристик группового графика электрических нагрузок для решения инженерных задач 111
Выводы по главе 3 113
Глава 4 Разработка способов расчета колебаний напряжения и дозы фликера, возникающих при работе асинхронных двигателей с резкопе-ременным характером нагрузки ..
4.1 Расчет графика напряжения электрической сети, питающей асинхронные двигатели с повторно-кратковременным режимом работы 115
4.2 Числовые характеристики размахов изменения напряжения сети 118
4.3 Пример расчета графика напряжения электрической сети, питающей асинхронные двигатели, работающие в повторно-кратковременном режиме и характеристик размахов изменения напряжения сети 119
4.4 Расчет кратковременной дозы фликера при детерминированном характере изменения электрических нагрузок 121
4.5 Расчет кратковременной дозы фликера при стохастическом характере изменения циклических электрических нагрузок 124
4.6 Разработка алгоритма и программного обеспечения для автоматического расчета кратковременной дозы фликера, возникающей при стохастическом характере изменения электрических нагрузок 129
4.7 Пример расчета кратковременной дозы фликера, возникающей при стохастическом характере изменения электрических нагрузок 134
4.8 Сравнение результатов экспериментальных исследований с результатами расчетов, выполненных по предлагаемой методике 136
4.9 Применение разработанных способов расчета колебаний напряжения и дозы фликера для решения задач обеспечения качества электрической энергии в сетях с потребителями, имеющими резкопеременный характер
нагрузки 139
Выводы по главе 4 145
Заключение 147
Список литературы.
- Определение колебаний напряжения вероятностно-статистическим методом
- Программа проведения эксперимента
- Способ расчета группового графика электрической нагрузки
- Пример расчета кратковременной дозы фликера, возникающей при стохастическом характере изменения электрических нагрузок
Введение к работе
Актуальность. Качество электрической энергии продолжает оставаться одной из важнейших проблем электроэнергетики. Оно определяется совокупностью показателей, при выполнении которых потребители электроэнергии могут нормально функционировать в окружающей их электромагнитной среде. Снижение качества электроэнергии приводит к снижению эффективности электроснабжения, причинению вреда электрооборудованию и воздействует на здоровье людей.
Колебания напряжения являются одним из показателей качества электрической энергии. Они вызываются потребителями электроэнергии, имеющими электрическую нагрузку резкопеременного характера. Уровень допустимых кондуктивных помех нормируется стандартами. В действующих ранее стандартах ГОСТ 13109-87 и ГОСТ 13109-97 колебания напряжения характеризовались двумя показателями: размахом изменения напряжения и дозой колебаний (дозой фликера).
Расчет размахов изменения напряжения проще, чем расчет дозы фликера. В связи с этим до последнего времени приоритетным была разработка методик расчета размахов напряжения, вызываемых работой различных потребителей с резкопеременной нагрузкой. Весомый вклад в решение этой проблемы внесли Г.Я. Вагин, И.В. Жежеленко, Э.Г. Куренный, Н.А Новоселов, Ю. Л. Саенко, В.М. Салтыков, G. Dixon, C. Gilke и другие.
В 2014 году в действие введен ГОСТ 32144-2013, в котором колебания напряжения характеризуются только одним показателем - дозой фликера. В связи с этим в настоящее время возникла необходимость в разработке методик расчета дозы фликера, вызываемой работой различных потребителей с резкопеременной нагрузкой. Исследования в этом направлении проводятся рядом авторов, например Н.А Новоселовым. При этом на сегодняшний день практически отсутствуют работы, описывающие способы определения дозы фликера, возникающей в системах электроснабжения деревообрабатывающих производств.
Цель работы. Разработка методики расчета колебаний напряжения и дозы фликера для решения комплекса методических, организационных и технических задач обеспечения качества электрической энергии в системах электроснабжения деревообрабатывающих производств.
Объект исследования. Система электроснабжения деревообрабатывающего предприятия, включающая в себя потребителей электроэнергии с резкопеременным графиком работы.
Предмет исследования. Качество электрической энергии в системах электроснабжения деревообрабатывающих производств, имеющих потребителей с резкопеременной электрической нагрузкой.
Влияние резкопеременных электрических нагрузок электроприводов на колебания напряжения в узлах электрической сети.
Область исследования соответствует пунктам 1, 3 и 4 паспорту специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»:
п. 1: «… математическое, … и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем»;
п. 3: «… разработка алгоритмов эффективного управления»;
п. 4: «Исследование … качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах при разнообразных внешних воздействиях».
Научная новизна.
-
Впервые разработаны статистические нагрузочные диаграммы электроприводов фанерного производства, работающих в повторно-кратковременном режиме с резкопере-менной нагрузкой, и определены их параметры электропотребления.
-
Разработана методика расчета колебаний напряжения в системах электроснабжения деревообрабатывающих производств, которая отличается от известных тем, что позволяет учесть одновременное изменение случайных активных и реактивных нагрузок, и определить основные числовые характеристики колебаний напряжения сети без определения законов распределения электрических нагрузок и напряжения.
-
Предложен способ расчета дозы фликера, возникающей при стохастическом характере изменения размахов напряжения электрической сети, отличающийся тем, что доза фликера рассматривается как случайная величина, а её числовые характеристики определяются через числовые характеристики размахов изменения напряжения сети.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Статистические модели электрических нагрузок электроприводов фанерного производства работающих в цикличном режиме со случайным характером изменения нагрузки.
-
Модели резкопеременных циклических электрических нагрузок, изменяющихся случайным образом, отличительная особенность которых в том, что активные и реактивные нагрузки представляются решетчатыми моделями и описываются сплайн-функциями первой степени.
-
Способ вычисления математических ожиданий и дисперсий случайного графика суммарной электрической нагрузки электроприводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, отличающийся от известных тем, что позволяет учесть ортогональные составляющие случайного вектора нагрузки, которыми являются случайные активная и реактивная мощности.
-
Способ расчета числовых характеристик графика напряжения сети при стохастическом характере изменения резкопеременных нагрузок, который не требует определения законов распределения напряжения сети и нагрузок.
-
Способ расчета вероятностных характеристик дозы фликера при стохастическом характере изменения размахов напряжения электрической сети, отличающийся от известных тем, что в расчетах учитывается одновременное изменение активной и реактивной составляющей резкопеременной нагрузки.
Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:
-
Полученные усредненные статистические нагрузочные диаграммы рекомендуется применять при выборе мощности асинхронных электродвигателей и выборе сечений кабелей, питающих данные электродвигатели.
-
Разработанный способ расчета группового графика электрических нагрузок может применяться при выборе силовых трансформаторов, автоматических выключателей и средств компенсации реактивной мощности.
-
Способ расчета графика напряжения электрической сети предлагается использовать при выборе средств компенсации реактивной мощности.
-
Предлагаемый способ определения размахов напряжения электрической сети рекомендуется использовать при выборе средств и методов снижения колебаний напряже-
ния.
5. Разработанный способ расчета дозы фликера при стохастическом характере изме
нения размахов напряжения электрической сети, позволяет:
решить методические, организационные и технические вопросы обеспечения качества электрической энергии по показателю колебание напряжения;
выполнять проверку соответствия данного показателя требованиям ГОСТ 32144-2013;
производить выдачу технических условий на присоединение потребителей.
6. Разработанную методику расчета колебаний напряжения в системах электроснаб
жения деревообрабатывающих производств рекомендуется использовать при проектиро
вании электроснабжения электроприводов аналогичных производств с резкопеременным
стохастическим характером нагрузки.
Методы исследования. Для достижения поставленных целей и решения задач использовались методы экспериментальных и теоретических исследований. Экспериментальные исследования выполнены на действующем объекте, имеющем электроприемники с резкопеременным характером нагрузки. При решении поставленных задач использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории случайных импульсов, применялись теоретические основы электропривода и электроснабжения. Расчеты и математическое моделирование выполнялись в программной среде Borland Delphi 7. Вычислительный эксперимент выполнялся с использованием оригинального программного обеспечения.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:
-
Применением в качестве исходных данных результатов исследований на действующем фанерном производстве;
-
Корректным использованием математических методов при разработке математических моделей нагрузок и способов расчета основных числовых характеристик графиков напряжения и дозы фликера;
-
Использованием апробированных программных продуктов статистической обработки данных;
-
Совпадением результатов расчетов дозы фликера по предложенной методике со значениями, полученными в ходе экспериментальных исследований на действующем объекте.
Внедрение результатов.
Результаты диссертационной работы использованы на предприятиях: ООО «Вятский фанерный комбинат», при проектировании новой линии фанерного производства; МУП «Горэлектросеть» г. Кирова, при выдаче технических условий на присоединение к городской электрической сети потребителей с резкопеременной нагрузкой; ООО «Энергонорма», при выполнении договорных работ с промышленными предприятиями по снижению колебаний напряжения в системах электроснабжения. Полученные в диссертации результаты применяются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Вятского государственного университета» при проведении лекций и практических занятий, при выполнении курсовых и выпускных работ, а также при выполнении научно-исследовательских работ.
Связь работы с научными программами, планами, темами, грантами.
Исследования по данной теме выполнялись при поддержке Министерства образова-
ния и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы. Соглашение от 20.09.2012 г. № 14.В37.21.1504.
Экспериментальные исследования были произведены в ходе выполнения Научно-исследовательской работы № ПСР 2.3.1-3, 2012 года по теме: «Исследование качества электрической энергии в электрических сетях предприятий и распределительных сетях энергосистем и разработка технических рекомендаций по его повышению».
Апробация работы. Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры «Электроснабжение» ФГБОУ ВО «ВятГУ» в 2012 - 2017 годах и обсуждались на III Молодёжной всероссийской конференции «Вклад молодежи в решение практических задач в области модернизации энергетики и развития энергетической инфраструктуры» (г. Ярославль, 4 - 6 декабря 2012 г.); на XII Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (г. Новочеркасск, июнь 2013 г.); на Международной заочной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: современные вызовы и перспективы» (г. Москва, 28 июня 2013 г.); на Всероссийской ежегодной научно-практической конференции «Общество, наука, инновации» (г. Киров, ФГБОУ ВО «ВятГУ» 2013 - 2016 г.г.); на Международной конференции «Research Journal of International Studies» (г. Екатеринбург, 2013 г.); на I Международной научно-технической конференции «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике» (ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» г. Пермь, 24–25 сентября 2015 г.); на XLV Международной научно-практической конференции с элементами научной школы «Фёдоровские чтения» (ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва. 11 - 13 ноября 2015 г.); на 74-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ», 18 - 22 апреля 2016 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 печатной работе, в том числе в 10 изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации. Имеются два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и 1 приложения, представленного на 6 страницах. Общий объем 166 страниц машинописного текста (включая список литературы), содержит 43 рисунка, 24 таблицы.
Определение колебаний напряжения вероятностно-статистическим методом
При резкопеременных нагрузках низкого напряжения на величину колебаний напряжения влияют амплитуды изменений активных и реактивных составляющих токов приемников. При резкопеременных нагрузках среднего напряжения в основном влияние оказывают только амплитуды изменений реактивных составляющих этих приемников [11, 22].
К источникам колебаний напряжения относятся: барабанные и спиральные рубильные машины; дробилки различных конструкций; электрические пилы; лущильные машины; дуговые сталеплавильные печи (ДСП), рудно-термические печи, индукционные печи; дуговая и контактная сварка; краны и лебедки; управляемые выпрямительные установки: станы горячей прокатки; приводы прокатных станов: блюминги, слябинги; пуск мощных электродвигателей (насосов, компрессоров); коммунально-бытовая нагрузка (кухонное оборудование, стиральные машины, водонагреватели, лифты, кондиционеры); рентгеновские аппараты и другие.
Как видно из приведенного перечня, источники резкопеременной нагрузки встречаются во многих отраслях промышленности: деревообработка; металлургия; химическая промышленность; целлюлозно-бумажная; текстильная; машиностроение; строительство; животноводство и других, а также применяются в коммунально-бытовой сфере.
В деревообрабатывающую промышленность входит большая группа деревообрабатывающих производств, связаных с обработкой и переработкой древесины. Данные производства по потребляемому сырью и выпускаемой продукции можно условно разделить на три группы: по выпуску полуфабрикатов (сырье - пиловочник, кряжи, чураки, ванчесы; продукция - полуфабрикаты); по выпуску изделий из древесины (сырье - полуфабрикаты; продукция - готовые изделия сложной конструкции; специальных производств). Основными видами обработки древесины на указанных производствах являются: пиление; лущение, фрезерование, измельчение древесины, прессование и другие.
В деревообрабатывающей промышленности у большинства источников колебаний напряжения применяется электропривод, работающий с резкопере-менной нагрузкой. Например, у дробилок, рубильных машин, пил для резки древесины, четырехстороннего станка для продольного фрезерования, двухсторонние шипорезные станки, прессы и так далее. В соответствии с темой данной работы остановимся более подробно на работе электродвигателей. Все исполнительные механизмы и электроприводы, которыми они оснащены, делятся на различные группы и классы. Исполнительные механизмы классифицируются по характеру изменения статического момента [1, 24].
Электроприводы механизмов с резкопеременной нагрузкой относятся к механизмам, у которых статический момент является функцией времени Мс=f(t): мощные электрические двигатели, сталеплавильные печи, прокатные станы и другие. Работа данных механизмов происходит под воздействием возмущающей силы, изменяющейся во времени в соответствии с некоторым законом. К этому же классу относят механизмы, статический момент которых изменяется в зависимости от времени в силу свойств обрабатываемых материалов или характера технологического процесса. Например, пила для резки дерева, камнерезная машина и другие. Возмущающая сила в этих случаях имеет случайный характер [24].
Электроприводы, являющиеся источниками колебаний напряжения, имеют повторно-кратковременный характер работы (ПКР). При ПКР кратковременные рабочие периоды чередуются с паузами. Рабочие периоды (tР) и периоды пауз (t0) имеют такую длительность, при которой температуры всех устройств, входящих в состав электропривода, не достигает установившегося значения ни во время рабочего цикла, ни во время паузы.
Процесс изменения нагрузки во время работы электропривода называют процессом нагружения электропривода, и описывают функциями момента М = f(t), мощности Р = f(t)и тока / = f(t) [24].
Как говорилось выше, исполнительные механизмы и электроприводы, которыми они оснащены, испытывают значительные колебания под воздействием случайных факторов. Например, нагрузка пилы для резки дерева зависит от различной плотности древесины, от вкраплений сучьев, от случайных изменений скорости подачи. Процесс нагружения электропривода пилы при наличии воздействия указанных случайных факторов является не детерминированным, а случайным [24].
Источники колебаний напряжения - исполнительные механизмы и электроприводы, у которых статический момент изменяется по закону Mc=f(t).
Для данных электроприемников случайный характер нагружения выражен особенно интенсивно [24].
Колебания напряжения, возникающие при резкопеременной нагрузке, распространяются по всей сети, вызывая колебания напряжения на зажимах всех, в том числе, потребителей со спокойной нагрузкой, отрицательно сказываются на зрении человека и на протекании технологического процесса.
При колебаниях напряжения наблюдается погасание газоразрядных ламп, отпадают контакты магнитных пускателей, выходят из строя батареи конденсаторов, статические компенсирующие устройства и вентили преобразовательных агрегатов [71]. Также отрицательное влияние испытывают большинство потребителей электроэнергии: индукционные печи; двигатели высокочастотных преобразовательных агрегатов; асинхронные двигатели малой мощности; сварочные установки; системы автоматического регулирования; радиоприборы и ЭВМ. Во многих случаях отрицательное влияние приводит к выходу их из строя.
Силовое оборудование по сравнению с источниками света в меньшей степени подвержено колебаниям напряжения. Поэтому как в отечественной, так и в зарубежной практике колебания напряжения нормируются по степени воздействия на зрение.
Степень воздействия колебаний напряжения на зрение зависит от типа источников света [58]. Для определения величины влияния колебаний напряжения на зрение необходимо в первую очередь разобраться в физиологических основах процесса зрительного восприятия.
Программа проведения эксперимента
Процесс нагружения любого механизма характеризуется нагрузочной диаграммой. Нагрузочная диаграмма является важной характеристикой работы самого исполнительного механизма и его электропривода. На основании нагрузочной диаграммы можно проверить соответствие предварительно выбранной мощности двигателя заданному режиму работы исполнительного механизма как по условиям нагрева, так и по перегрузочной способности.
В большинстве случаев нагрузочная диаграмма рассчитывается аналитически для некоторого определенного наиболее характерного цикла работы и представляет собой детерминированную функцию времени. Такие диаграммы называются расчетными [24]. Расчетные диаграммы недостаточно достоверно отражают реальный процесс нагружения механизма, так как не учитывается влияние случайных факторов. Случайные факторы создают в период нагружения электропривода выбросы и провалы нагрузки, которые и являются основными причинами появления размахов напряжения и фликера. Расчетные диаграммы не могут быть использованы для определения дозы фликера.
Таким образом, для расчета колебаний напряжения необходимо использовать нагрузочные диаграммы, учитывающие случайные факторы. Такие диаграммы называют статистическими [24].
Статистические нагрузочные диаграммы могут быть получены только на основании экспериментальных исследований на действующих предприятиях.
В данной главе описываются исследования статистических нагрузочных диаграмм электроприводов фанерного производства. 2.2 Описание объекта экспериментального исследования
Объектом экспериментального исследования является ООО «Вятский фанерный комбинат», предприятие по производству большеформатной фанеры. Место расположения объекта – город Киров.
Электроснабжение данного предприятия осуществляется от ЗРУ-6кВ ПС 110/6 по двум взаиморезервируемым кабельным линиям на напряжение 6 кВ. Электрические нагрузки предприятия складываются из силовых нагрузок, внутреннего и наружного освещения и составляют: - общая установленная мощность – 10546 кВт; - расчетная мощность – 7922 кВт. Для распределения электроэнергии на напряжение 6 кВ в главном производственном корпусе предприятия установлен распределительный пункт, состоящий из камер К-66 Самарского завода «Электрощит», который подключен по двум кабельным линиям от ЗРУ-6 кВ ПС 110/6 «Комбината древесных плит» («КДВП»).
Электроснабжение потребителей I категории производится от независимого источника электроэнергии – ТЭЦ ООО «Энергетической компании НЛПК», подключенной к шинам 6 кВ ЗРУ- 6 кВ ПС 110/6.
Для подключения нагрузок фанерного комбината на напряжение 380/220 В смонтировано четыре встроенные комплектные 2-х трансформаторные подстанции: две с масляными трансформаторами мощностью 2х1600 кВА, одна 2х1000 кВА, встраиваемые в помещение главного корпуса и одна с трансформаторами мощностью 2х630 кВА с распределительным пунктом 6 кВ, встраиваемая в помещение вспомогательного корпуса термомаслянной установки (ТМУ).
На данном предприятии при производстве фанеры используется оборудование с резкопеременным графиком работы. На фанерном комбинате к оборудованию, у которого электропривод работает в режиме ПКР, относятся: 1. барабанная рубительная машина (дробилка карандашей), 2. корорубка, 3. рубительные машины (для оторцовки бревен, лущения и ребросклейки и обработки побочных продуктов от обрезки), 4. барабанная рубительная машина (дробилка шпона), 5. линия окорки (окорочный станок), 6. линия раскроя бревен (пилы), 7. линия лущения (лущильный станок). В таблице 2.1 приведены характеристики перечисленного выше оборудования. Все перечисленные электроприемники запитаны от ТП-З. Схема электроснабжения приведена на рисунке 2.3.
Цель экспериментальных исследований - изучение графиков активной P(t), реактивной Q(t) мощностей электроприводов фанерного производства, работающих в повторно-кратковременном режиме.
Из литературы известно, что механизмы испытывают воздействия случайных факторов, таких как вкрапления сучков, изменения плотности древесины, случайные изменения скорости подачи, диаметра фанерного кряжа и так далее. Процесс нагружения механизмов при этом будет не детерминированным, а случайным. В данных исследованиях процесс нагружения электродвигателей будет изучаться в целом, без исследования влияния каждого случайного фактора в отдельности, то есть как случайный процесс.
Способ расчета группового графика электрической нагрузки
Объект исследования данной работы - система электроснабжения предприятия, включающая в себя потребителей электроэнергии с резкопеременным графиком работы. Исследуемый процесс - резкопеременное изменение параметров режимов сети: тока, напряжения, мощности.
Оценка колебаний напряжения согласно ГОСТ 32144-2013, производится по дозе фликера, для вычисления которой необходимо знать график изменения напряжения сети U{t) на определенном интервале времени (2.1).
Как видно из (2.1) U(t) является линейной функцией P(t) и Q(t). Следовательно, для расчета и анализа U(t) необходимо иметь математическое описание графиков P(t) и Q(t).
Целью создания математических моделей электрических нагрузок рассматриваемых электроприводов является получение математического описания их электрических нагрузок для решения задач исследования колебаний напряжения сети и дозы фликера, возникающих при их работе.
В общем понимании моделирование - осуществление каким-либо способом отображения или воспроизведения действительности для изучения имеющихся в ней объективных закономерностей [18]. Любое математическое моделирование включает в себя несколько этапов: 1. сбор информации об объекте; 2. определение цели и задач создания модели; 3. описание концептуальной модели [55]. На первом этапе моделирования производится сбор информации об объекте исследования, изучается процесс функционирования электроприемников объекта, технологическая составляющая и особенность работы оборудования и ответственных электроприемников.
Описание первого этапа моделирования приведено во второй главе работы, в которой описано экспериментальное исследование электроприводов фанерного производства.
Результаты исследований показали, что электрические нагрузки основного оборудования объекта изменяются случайным образом, имеют резко-переменный характер. Графики работы оборудования имеют точки экстремума (максимальные и минимальные точки), изменение нагрузок происходит с большой частотой.
Выбросы электрической нагрузки в период нагружения электропривода имеют случайную амплитуду и случайную продолжительность.
Таким образом, для решения поставленной задачи математическая модель должна описывать точки экстремума графика электрической нагрузки с учетом случайного характера их появления.
Для построения модели объект исследования необходимо формализовать, то есть исключить из рассмотрения те характеристики объекта, которые несущественны с точки зрения цели проводимого исследования [62].
Так же при разработке модели исследуемого процесса можно пренебречь небольшими по амплитуде размахами, величина которых практически не влияет на результаты расчета дозы фликера.
Еще одним условием формализации для данного процесса можно принять степень воздействия мелькания световых импульсов, которая зависит от длительности периода их следования. По этому условию некоторые размахи, у которых период следования импульсов меньше времени сохранения ощущения, характеризующего зрительное восприятие, при обработке исходного графика и разработке модели можно не учитывать, то есть ими можно пренебречь. То есть при расчете дозы фликера можно не учитывать размахи, которые приводят к изменениям величины дозы фликера менее чем на 0,1 % [58].
Разработанная модель должна отвечать определенным требованиям. В данной работе для расчета величины дозы фликера необходимо иметь значения точек экстремума U(t) и размахи изменения напряжения, под которыми понимается разность идущих друг за другом экстремумов. Также необходимо знать ширину (продолжительность) выбросов нагрузки, длительность рабочего периода и холостого хода.
Дадим характеристику классификационным признакам разрабатываемой модели. Полнота и точность воспроизведения изучаемых процессов. В работе используется способ приближенного моделирования [18]. При данном способе некоторые факторы, имеющие незначительное влияние на протекание изучаемого процесса, моделируются приближенно или совсем не моделируются. При использовании данного способа возникает погрешность, которая в дальнейшем требует оценки. Также приближение может быть полным или неполным. В работе используется способ неполного приближенного моделирования. При его реализации имеются сознательно допускаемые погрешности, связанные с упрощением физических представлений параметров системы. Существует три вида моделирования: мысленное, материальное.
В работе применяется мысленное моделирование. При данном моделировании используется определенная аппаратура для подтверждения моделируемых результатов (расчеты, графические изображения и другое).
Разрабатываемая модель отражает случайный характер исследуемого явления. В данном случае не рассматривается ход отдельного события, а находится математическое ожидание и дисперсия некоторого числа однородных случайных явлений. Исследуемая система является линейной, реализация модели происходит в натуральном времени.
Пример расчета кратковременной дозы фликера, возникающей при стохастическом характере изменения электрических нагрузок
Для разработки методики расчета дозы фликера были произведены измерения на ООО «Вятский фанерный комбинат» на шинах трансформаторной подстанции ТП-3, на первой и второй секциях, рисунок 2.5. От первой секции шин получают питание 4 механизма: две лущильные машины; рубительная машина; барабанная рубительная машина «Дробилка карандашей». От второй секции - 6 механизмов: две лущильные машины; барабанная рубительная машина «Дробилка шпона»; окорочная машина; спиральная рубительная машина «Корорубка»; пила.
Длительность экспериментальных исследований, проводимых на шинах подстанции, составила 20 минут для каждой из секций. При выполнении изме рений были получены величины кратковременной дозы фликера Ps10. Соответ ственно, на первой секции шин величины дозы фликера составила: и Р1 2 10 = 0,28, на второй секции - Р 10 = 0,29 и Р$10 = 0,34. По предложенной и описанной в п.4.5 методике, а также используя разработанные программы для ЭВМ [88, 89], было рассчитано математическое ожидание М[ 10] кратковременной дозы фликера за интервал времени 10 минут для первой и второй секции шин ТП-3. На первой секции шин: М[Ps10] = 0,12. На второй секции шин: М[Ра10] = 0,56. Анализ результатов расчета показал, что закон распределения не является нормальным, но кривая распределения Pst1 0 стремится к нулю при Pst10 - оо и 10- 0. Согласно [20], если закон распределения случайной величины Х неизвестен, известны только математическое ожидание М[Х] и среднее квадра-тическое отклонение а[Х] этой случайной величины, то принимают отрезок М[Х]±3сг[Х] за участок практически возможных значений случайной величи 137 ны. Но при этом существует вероятность выхода за пределы +3 т[Х], величина которой определяется в зависимости от закона распределения. Но действующий ГОСТ 32144-2013, недопускает выход значений за допустимые нормативные значения. Следовательно, необходимо указать границы, которые значение дозы фликера никогда не будет превышать.
Для выявления этой границы предлагается поступить следующим образом. Крайняя правая граница вычисляется по условию, что все пики максимальные, крайняя левая граница - по условию, что все пики минимальные.
Как видно из результатов расчета для второй секции шин трансформаторной подстанции крайняя правая граница значения дозы фликера, М Pmax st10 = 1,81, превышает норму, указанную в ГОСТ 32144 -2013, поэтому на данной секции необходимо выполнить технические мероприятия. Предлагается некоторые электроприводы с резкопеременной нагрузкой, получающие питание от данной секции шин, запитать от подстанции № 2, где нет электроприемников подобного характера нагрузки.
Применение разработаных способов расчета колебаний напряжения и дозы фликера для решения задач обеспечения качества электрической энергии в сетях с потребителями, имеющими резкопеременный характер нагрузки
Обеспечение качества электрической энергии в сетях с потребителями, имеющих резкопеременную нагрузку, требует решения комплекса методических, организационных и технических мероприятий.
В данном разделе рассматриваются задачи обеспечения допустимых уровней колебаний напряжения, требующие выполнения расчетов колебаний напряжения и дозы фликера.
Задача 1. Оценка соответствия колебаний напряжения установленным нормам ГОСТ 32144 - 2013.
В [30], в качестве показателя, характеризующего колебания напряжения, используется доза фликера. Согласно [30], величина дозы фликера Pt не должна превышать 1,38 с вероятностью 1,0.
Расчет дозы фликера проводится по алгоритму, описанному в главе 4 диссертации. В качестве исходных данных принимаются параметры электрической сети (активные, реактивные сопротивления сети, напряжение сети) и математические модели графиков электрических нагрузок главных электроприво 140 дов механизмов, работающих с резкопеременной нагрузкой. При выполнении расчетов для фанерных производств рекомендуется воспользоваться математическими моделями графиков нагрузок, описанными в п. 3.2 данной работы. Для других технологических процессов эти модели должны быть получены на основании экспериментальных исследований на действующих аналогичных производствах.
По методике, изложенной в главе 4 диссертации, определяются математические ожидания М[Pst 10] и D[Pst10] дисперсии дозы фликера на 10-минутном интервале осреднения. Максимальное значение Pst1 0 на интервале осреднения 10 минут определяется: Ps m t ax = М[Pst 10 ] + PD[Pst 10 ] = М[Pst 10 } + р- a[Pst 10 ], (4.41) где /3 - коэффициент, зависящий от закона распределения дозы фликера Pst Для нормального закона распределения Pst значения /? принимается равным 2,5. Если закон распределения Pst неизвестен, то согласно правилу трех сигма /?=3,0.
Если закон распределения Pst известен, то вероятность превышения нормированного значения дозы фликера согласно [30]: 1,38 P(Pst 138) = 1- J (p(Pst)dx, (4.42) где (p(Pst) - плотность распределения Pst. В [30] указано, что кратковременная доза фликера не должна превышать нормы в течении 100 % времени интервала в одну неделю, то есть возможные значения кратковременной дозы фликера никогда не должны превышать указанной в ГОСТ нормы. Следовательно необходимо указать границы, за которые не будут выходить допустимые значения, то есть вероятность выхода за границы равна нулю.
К организационным мероприятиям, требующим выполнения расчетов, относится выдача технических условий на присоединение новых потребителей электрической энергии. В технических условиях указываются требования к уровню кондуктивных помех, генерируемых в сеть энергоснабжающей организации подключаемыми потребителями.
Для формирования требований к качеству электрической энергии по показателю колебания напряжения поставщик электрической энергии должен выполнить расчет дозы фликера, используя в качестве исходных данных сведения об аналогичных действующих производствах. Порядок расчетов описан в задаче 1.
Выполнение этой задачи возможно следующими способами: - увеличение сечений проводов и кабелей, питающих источники колебаний напряжения; - увеличение мощности силового трансформатора, к которому подключены источники колебаний; - распределение потребителей с резкопеременной нагрузкой по разным секциям подстанций или по разным подстанциям; - подключение потребителей, чувствительных к колебаниям напряжения, к секции подстанции, на которой отсутствуют источники колебаний; - изменение режима работы источников колебаний напряжения. Решение каждой из перечисленных задач требует расчета дозы фликера дважды. Первый расчет выполняется для оценки соответствия колебаний напряжения установленным стандартом нормам. Второй расчет выполняется для оценки эффективности применяемых способов снижения колебаний. Расчеты выполняются по методике, изложенной в задаче 1.