Введение к работе
Актуальность. Современное состояние техники характеризуется бурным развитием электроники. Создаются новые и все более сложные электронные устройства. В большинстве электронных устройств, питающихся от однофазной сети 220В 50 Гц, применяются схемы выпрямителей с фильтрами. К таким устройствам относятся компьютеры, принтеры, зарядные устройства, телевизоры, энергосберегающие лампы, всевозможные вторичные источники питания постоянного напряжения, входящие в состав электронных устройств, и т.д. При их работе происходит искажение формы питающего напряжения. Это связано с падением напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания при несинусоидальной форме тока.
С ростом количества электропотребителей, подключенных к источнику питания и имеющих несинусоидальную форму тока, искажение формы питающего напряжения становится повсеместно распространенным явлением.
Искажение формы питающего напряжения приводит к перегреву и разрушению нулевых рабочих проводников (для трехфазных сетей), снижению уровня выпрямленного напряжения в источнике питания, дополнительным потерям в трансформаторах, силовых кабелях и машинах переменного тока, появлению электромагнитных помех, сокращению срока службы электрооборудования.
Каждый электропотребитель рассчитан для работы при определенных параметрах питающего напряжения. Для стабильной работы большинства потребителей необходимо обеспечивать синусоидальную форму напряжения.
Показатели качества электрической энергии должны соответствовать ГОСТу 13109-97. С этой целью производится сертификация качества электроэнергии и разрабатываются организационные и технические мероприятия по улучшению показателей качества. Одним из показателей качества электроэнергии является несинусоидальность напряжения.
Для работы электропотребителей в номинальном режиме, уменьшения
отрицательных воздействий несинусоидального напряжения
разрабатываются способы и устройства по восстановлению формы питающего напряжения до формы, близкой к синусоидальной.
Большинство способов восстановления формы питающего напряжения основано на фильтрации или компенсации отдельных гармонических составляющих напряжения или тока. При этом компенсация высших гармонических составляющих напряжения получается не полной.
Для коррекции формы питающего напряжения используются корректоры коэффициента мощности, входящие в состав
электропотрёбителей. Регламентируется установка " корректоров
коэффициента мощности в электропотребителях мощностью более 75 Вт в соответствии со стандартом IEC 6100-3-2. При этом количество электропотребителей мощностью менее 75 Вт, искажающих форму напряжения, достаточно велико и имеет тенденцию к росту.
Разработка способов и устройств по уменьшению искажения формы питающего напряжения является актуальной задачей.
Работа выполнена при поддержке «Фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере» по программе «У.М.Н.И.К. -2008» по теме «Устройство коррекции формы питающего напряжения сети» госконтракт №6561р/8526, а также при участии в проекте НК-347П «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области технических наук в рамках мероприятия 1.4. Программы» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы с научно-исследовательской работой «Методы коррекции формы питающего напряжения в сетях 0,4 кВ».
Цель работы заключается в разработке способов и устройств по уменьшению искажения формы питающего напряжения на основе анализа причин искажения напряжения и моделирования способов и устройств коррекции и их схемотехнической реализации, разработке методики применения устройств коррекции.
Основные задачи, решаемые в работе для выполнения поставленной цели:
Анализ причин искажения формы питающего напряжения сети при работе нелинейных потребителей, моделирование работы устройств, приводящих к искажениям формы питающего напряжения.
Анализ существующих способов и устройств по уменьшению искажения формы питающего напряжения сети.
Разработка способов коррекции формы питающего напряжения сети и их моделирование.
Разработка устройств коррекции формы питающего напряжения.
Разработка методики применения устройств коррекции формы питающего напряжения.
Методы исследования определялись характером каждой из поставленных задач.
При определении влияния электропотребителей на форму питающего напряжения и анализе коррекции формы питающего напряжения рассматривался переходный процесс в системе электроснабжения при использовании в качестве потребителя выпрямителя с емкостным фильтром. Решение дифференциальных уравнений выполнялось численным методом Эйлера с использованием программной среды Lab VIEW.
Исследования по разработке устройств коррекции производились на основе теории цепей с использованием пакета схемотехнического моделирования Multisim.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Проведен анализ причин искажений напряжения питающей сети и определено влияние потребителей на форму напряжения. Установлено, что одной из причин искажения формы питающего напряжения является падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания при несинусоидальном характере тока, протекающего в цепи.
Разработаны способы коррекции формы питающего напряжения сети.
Разработаны варианты реализации устройств коррекции формы питающего напряжения.
Предложена методика определения мест установки устройств коррекции.
Предложена методика определения параметров настройки устройств коррекции.
Способы и устройства защищены патентами №2368991, №2340991 Российской Федерации на изобретения.
Достоверность результатов работы при решении поставленных задач обеспечена корректным применением математических методов, использованием схемотехнического моделирования, обоснованностью принимаемых допущений.
Практическая ценность работы:
Проведенный анализ работы потребителей и системы электроснабжения дает понимание первопричин искажения напряжения.
Разработанные способы и устройства коррекции позволяют существенно снизить искажения формы напряжения.
Предлагаемые методики выбора места установки, параметров настройки и мощности устройств коррекции позволяют применять устройства в системе электроснабжения.
Основные положения, выносимые на защиту:
Анализ причин искажения формы питающего напряжения с построением математической модели работы выпрямителя с фильтром.
Способы коррекции формы питающего напряжения сети с построением математической модели.
Устройства коррекции формы питающего напряжения.
Методика применения устройств коррекции.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих
конференциях, семинарах, выставках и форумах: 1. Всероссийская научно-
техническая конференция студентов, магистров, аспирантов (г. Тольятти,
2007г.); 2. Выставка-сессия инновационных проектов (г. Ижевск, 2007г.); 3.
Выставка-сессия инновационных проектов (г. Ижевск, 2008г.); 4. Участие в
программе У.М.Н.И.К.-08, проводимой при поддержке «Фонда содействия
малых форм предприятий в научно-технической сфере» (г. Ижевск, 2008г.);
5. Второй инвестиционный форум «Удмуртия - 2008» (г. Ижевск, 2008г.); 6.
Выставка-сессия инновационных проектов (г. Ижевск, 2008г.); 7. 5-я
Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 100-летию со
дня рождения основателя радиолокации и интроскопии Ощепкова П.К. (г.
Ижевск, 2008г.);
8. IV-я Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009г.); 9. И-я Международная студенческая научно-техническая конференция «Новые направления развития приборостроения» (г. Минск, 2009г.); 10. Ш-я Международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии»
(г. Тольятти, 2009г.); 11. 39-я Международная научно-практическая конференция «Повышение эффективности электротехнического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 2009г.); 12. VII Научно-практическая конференция «Образовательные, научные, и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии NATIONAL INSTRUMENTS» (г. Москва, РУДН, 2008г.); 13. VIII Научно-практическая конференция «Образовательные, научные, и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии NATIONAL INSTRUMENTS» (г. Москва, РУДН, 2009г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ. Основное содержание диссертации отражено в 15 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 81 наименования, приложения. Основная часть работы изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 5 таблиц и 6 приложений.
