Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Качество электрической энергии сетей электроснабжения жилых зданий и устройства компенсации реактивной мощности 8
1.1. Электромагнитные процессы взаимодействия потребителей электроэнергии с сетью электроснабжения жилых зданий 8
1.2. Качество электрической энергии сетей электроснабжения 16
1.3. Способы компенсации реактивной мощности и высших гармонических в сетях электроснабжения жилых зданий
1.3.1. Сглаживающие пассивные и активные фильтры 27
1.3.2. Пассивные и активные корректоры коэффициента мощности 31
1.3.3. Преобразователи на базе конверторов 36
1.3.4. Преобразователи инвертирующего типа 39
1 АПостановка задач для работы 41
ГЛАВА 2. Математическое моделирование компенсирующего преобразователя на базе инвертора напряжения 43
2.1. Инверторы напряжения ,.,. 43
2.2. Разработка математической модели работы компенсирующего преобразователя и выбор метода расчета 46
2.3. Математическое моделирование устройства преобразователя 47
2.4. Определение расчетных соотношений элементов преобразователя .51
2.5. Выводы 53
ГЛАВА 3. Моделирование режимов работы компенсирующего преобразователя 54
3.1. Электромагнитные процессы взаимодействия электрической сети, нагрузки, и компенсирующего преобразователя 54
3.2. Условия применения корректоров преобразователей 58
3.3. Критерий компенсации реактивной мощности 62
3.4. Моделирование режима работы преобразователя корректора с сетью
3.5. Метод переменных состояния для расчета параметров схемы преобразователя 69
3.5.1. Составление уравнений и выбор переменных состояния 69
3.5.2.Уравнения состояния электрической цепи преобразователя.. 75
З.б.Выводы и рекомендации. 78
ГЛАВА 4. Имитационное моделирование структурной схемы преобразователя и системы автоматического управления 80
4.1. Компьютерное моделирование режимов работы преобразователя 80
4.1.1. Основные задачи компьютерного моделирования 80
4.1.2. Структура и принцип работы при моделировании переходных процессов электрических цепей с вентилями 83
4.1.3. Алгоритм формирования имитационной модели электрической цепи с вентилями на ПЭВМ. 84
4.2. Моделирование систем автоматического управления и компенсатора 91
4.2.1. Моделирование системы автоматического управления 91
4.2.2. Моделирование структурной схемы компенсатора 96
4.2.3. Определение параметров реальной структурной схемы 99
4.3. Технико-экономическая оценка эффективности применения компенсирующего преобразователя 109
4.4. Выводы 115
Заключение 116
Список литературы
- Качество электрической энергии сетей электроснабжения
- Разработка математической модели работы компенсирующего преобразователя и выбор метода расчета
- Условия применения корректоров преобразователей
- Структура и принцип работы при моделировании переходных процессов электрических цепей с вентилями
Качество электрической энергии сетей электроснабжения
Размах изменения напряжения на вводах осветительных установок с лампами накаливания меньше, чем на вводах люминесцентных ламп. Другой причиной таких изменений напряжений являются снижения напряжения напряжений, вызываемые пуском короткозамкнутого асинхронного двигателя, пусковой ток которого в 4- 8 раз больше его номинального значения, по мере разгона двигателя напряжение повышается. Поэтому при подключении асинхронных двигателей следует учитывать совместимости питания нагрузок 1 и 2 класса. Для БЭП 3-го класса допустимые размахи изменения напряжения следует нормировать исходя из их влияния на системы управления. Поэтому ориентиром служат нормы для 2-го класса. В таблице 1.2 показано влияние провалов напряжения на ЭВМ [46,92].
При коэффициенте несимметрии К2ы срок службы асинхронных двигателей сокращается в 2 раза, а приА:2„ =10% срок службы изоляции трансформатора снижается на 16 %. В сетях домов с газовыми плитами К2ііпо средним получасовым значениям в часы максимума нагрузки может достигать 20 %, а в домах с электроплитами 30 % и более. По мере приближения к шинам трансформатора несимметрия снижается. Следовательно, анализ нессиметрии необходимо производить в удаленной точке и на шинах трансформатора.
Несинусоидальные процессы характеризуют коэффициентом несинусоидальности, нормальное значение которого 5 %. Но для анализа потерь в быто 22 вой сети, установках и трансформаторах, а так же других отрицательных последствий необходимо определять коэффициенты наличия каждой гармонической. В этом случае потери в электрической сети от высших гармонических необходимо рассчитывать с учетом коэффициента увеличения потерь для каждой гармонической отдельно: где Px - потери в сети от тока первой гармонической; К1Л - коэффициент учитывающий активное сопротивление от первой гармонической; Кгп - коэффициент учитывающий активное сопротивление от п-ой гармонической; /„- действующее значение тока n-ой гармонической. В асинхронных двигателях, например, следует учесть, что гармонические тока статора 1,7,13 и т.д. создают прямо вращающееся магнитное поле. Гармонические тока статора 5,11 и т.д. создают поля обратно вращающимися по отношению к полю первой гармонической. Гармонические тока статора 3,9 и т.д. создают пульсирующее магнитное поле.
В результате в двигателях наблюдается перегрев обмоток статора и ротора, изменение скольжения и уменьшение результирующего момента на валу. Трансформаторы квартальных подстанций имеют повышенные потери в меди и стали.
Потребление активной и реактивной мощностей зависит от качества напряжения. Изменение потребляемой мощности БЭП в процентах при изменении напряжения в относительных единицах можно определить по следующим выражениям:
Компенсация реактивной мощности и высших гармонических в сетях электроснабжения жилых зданий в настоящее время необходима и является прямым путем к повышению показателей качества электрической энергии, к энергосбережению и снижению уровня индустриальных радиопомех, к улучшению эксплуатационных характеристик бытовых электроприемников.
Бытовая нагрузка имеет сложный закон подключения потребителей, но имеется определенная цикличность и суточная потребность в мощности. Наиболее целесообразным, является автоматический универсальный групповой компенсирующий преобразователь, который в зависимости от определенного уровня нагрузки и качества электрической энергии должен обеспечивать компенсацию реактивной мощности и высших гармонических в сети электроснабжения. Максимальная мощность компенсирующего устройства должна соответствовать реактивной мощности сети и должна быть рассчитана на основе ожидаемого цикла нагрузки.
Применение компенсирующих преобразователей в промышленных сетях связано с развитием преобразовательной техники. На возможность и практическую целесообразность компенсации реактивной мощности и высших гармонических компенсирующими преобразователями первыми обратили внимание Зиновьев Г.С, Лабунцов В.А., Шидловский, Борисов Б.П., Булатов О.Г., Иванов B.C., Панфилов Д.К., Чиженко И.М. [9,14,15,30,31,64,66,89].
В настоящее время, в отдельных бытовых электроприемниках для улучшения качественных показателей электрической сети и защиты функциональной работы у нас и за рубежом расширяется применение следующих устройств: 1. Сглаживающих пассивных и активных фильтров. 2. Корректоров коэффициента мощности в регуляторах и преобразователях. 3. Преобразователи на базе конверторов. 4. Преобразователей инвертирующего типа. Эти устройства должны иметь высокостабильные, малые по величине внутренние параметры и обеспечивать потребителя электроэнергией высокого качества с низким уровнем пульсаций и шумов. Устройства должны обладать определенными базовыми показателями качества: электрическими, эксплуатационными, схемными, конструктивно-технологическими и элементной базы.
Например, к электрическим показателям относятся уровни возможной перестройки входного и выходного напряжений, точность стабилизации, уровни пульсаций и помех на выходе, значение входной мощности или тока нагрузки.
Разработка математической модели работы компенсирующего преобразователя и выбор метода расчета
Из анализа временных диаграмм рис.2.3 получены расчетные соотношения напряжений и токов для всех элементов преобразователя, в первую очередь для «гладких» (средних) составляющих: o(0) = /m/,sin(0-); at VbUcKm где Imi- амплитуда реактивной составляющей тока нагрузки.
Для качественного анализа процессов в схеме рис.2.1 приращения AiK,AUCK,Ae/K могут быть определены по мгновенным значениям соответствующих координат из анализа исходного уравнения (2.1) по следующим выражениям: Urn -U,„ sin#, -zV,rv Ае АЙ = L А —-;Л СА, = "тг—; (2 5) Л / С А -/ = к(М) +AiK, -UCKi =UCKi,-\) + AUCK, Установившиеся значения iKvc„„, к которым на каждом интервале стремится текущее значение, может быть определено по выражению: . , Л ±UCKI (Um sm0,+a)LKI &тв,) hyan, (Єі ) = С2 6) rz В выражении (2.6) противоположные знаки у слагаемых в числителе соответствуют инверторнгому режиму преобразователя, а одинаковые -стремлению к перезаряду конденсатора, то есть аналогу режима противовключения. Однако, следует учитывать, что принадлежность к режиму определяют гладкие составляющие, а приращения - лишь тенденции к его сохранению или изменениям. Временные диаграммы рис.2.3 позволяют определить алгоритмы формирования импульсов управления транзисторами T1VT4 и в соответствии с этим конструировать систему управления преобразователем.
Рассмотрим вопросы энергообмена в электрической цепи при подключении компенсирующего преобразователя, который должен компенсировать реактивную мощность от всех элементов сети и высшие гармонические от нелинейных нагрузок. Рис.3.1. Схема подключения компенсирующего преобразователя с линейной и нелинейной нагрузками где /; и 4 - линейные параметры сети; гк и LK - линейные параметры входного дросселя компенсатора; г, и Ц - линейные параметры нагрузки; н.э. - нелинейный элемент нагрузки; К - нелинейный элемент компенсации. Рассмотрим электромагнитные процессы при подключении компенсирующего преобразователя к сети электроснабжения жилых зданий с линейной и нелинейной нагрузкой (рис.3.1). При этом по теореме о компенсации нелинейную нагрузку можно представить в виде двух источников ЭДС: eH3(t) и ?нэ.вг(0, первая из которых является ЭДС первой гармонической, а вторая характеризуется высшими гармоническим [32,48].
Для ?нэ(г) поток энергии направлен от источника сети. Компенсирующий преобразователь так же может быть представленным двумя источниками ек (г) и еквг(0. ЭДС нелинейной нагрузки и компенсатора имеют следующие выражения: (3.1) енэ(0 = ZЕ»т нэsm(ncut + у/„), ек (0 = Z, smC/ifirf+ J, где Етп нэ и Епт - амплитудные значения ЭДС гармонических; цг„- начальная фаза гармонической; п- порядок гармонической. Схема замещения относительно первых гармонических напряжения и тока показана на рис.3.2 гс U ici(t) iboi(t) /\ ) eH3i(t) ei(t) f77 \/ік.(і) I"K ч,(.) UH(0\/ UKl(t) UHlW ri eKi(t) Рис.3.2. Схема замещения компенсирующего устройства Для первой гармонической основной поток полной мощности сети равен: Sm=Sw=SU+Sl»+S"H3±SV\ (3.2) где Sw- полная мощность сети по первой гармонической; S\l)- полная мощность линейной нагрузки; S[])H3 - полная мощность нелинейной нагрузки; S - полная мощность компенсатора по первой гармонической. Следует отметить, что для компенсаторов в зависимости от режима работы сети и команд от цепи управления, он может потреблять (+) мощность или генерировать (-). где 5[ - полная мощность компенсатора от высших гармонических; S{n)m- полная мощность нелинейной нагрузки от высших гармонических. Причем при идеальном случае компенсация S(n) вп должна быть равна нулю, так как ток iKBr(t) направлен навстречу і пэ Br(t) и должен полностью компенсировать действие нелинейного элемента.
При этом ток сети высших гармонических irlir(t) - О и г, ВГ(/) = 0 . Реально за счет неполной компенсации или рассогласования сигналов за счет инерционных причин системы управления возможно появление 5 1(") и Л\("\
Суммарные потоки основной и вторичной энергии нелинейной нагрузки, компенсатора, линейной нагрузки и сети должен быть: При несинусоидальном процессе в электрической сети искажения из тригонометрического ряда определяется как: Dl=S2-P2-Q2. (3.6) Мощность искажения является результатом взаимодействия напряжений и токов гармоник различных порядков. Отсюда устройство компенсации должно представлять собой нелинейную схему, выдающую в питающую сеть такую мощность, чтобы выполнялось равенство: S =P2+Q2+D20-Ql-D2OK=P2 (3.7) где Ок- реактивная мощность устройства компенсации, обусловленная углом сдвига по фазе между первыми гармоническими напряжения и тока; D0K- мощность искажения устройства компенсации. Значит, устройство компенсации должно выдавать в сеть реактивную мощность и мощность искажения равную по значению мощности сети, но с противоположным знаком.
Современное потребление электрической энергии в сетях электроснабжения жилых зданий требует, чтобы в сети протекал синусоидальный ток, совпадающий по фазе с напряжением.
Для обоснования условия применения корректоров - преобразователей и принципа их управления следует иметь в виду, что сеть электроснабжения жилых зданий - однофазная, низковольтная, с действующим значением 220В. Данная сеть характеризуется в основном индуктивным характером сопротивления. Рассмотрена сеть электроснабжения, содержащая счетчик электрической энергии, нагрузку, корректор - преобразователь с системой управления (рис.3.4) и датчики тока ДТ1 и ДТ2. Электрические потребители характеризуются полной мощностью: S = Ш = 220(5 н-10) = 1100 -н 2200ВА Со средним коэффициентом активной мощности cos ср = 0,95 0,8, отсюда максимальная активная мощность нагрузки Ри = 1760 ч- 2090Вт. Незначительные изменения коэффициента мощности требуют неглубокого регулирования.
Условия применения корректоров преобразователей
Математическая модель предлагаемого устройства является линейной, поэтому при исследовании используются дифференциальные уравнения. В последнее время получили развитие вычислительные системы имитационного моделирования - универсальные пакты программ MicroCAP, PSPICE, NAP-2, Electronics Workbench. Основным достоинством, которых является то, что пользователь может активно внедряться в их структуру с целью влияния на процесс выполнения программы, общаться с базой данных и изменять ее не прибегая к услугам программиста.
В качестве программ для анализа системы сеть - компенсатор - нагрузка может применяться программа NAP2, которая разработана в Датском техническом университете для IBM/360 и затем адаптированная для ПЭВМ IBM PC/AT. Программа обладает развитым входным языком, позволяющим описать произвольные функциональные зависимости параметров компонентов моделируемого устройства и использует более простые модели полупроводниковых приборов по сравнению с теми, которые используются в программе PSPICE.
При моделировании с помощью NAP2 системы «сеть - преобразователь -нагрузка» управляемые ключи моделируются резистивными переключаемыми двухполюсниками, имеющими высокое сопротивление в закрытом состоянии и низкое сопротивление в открытом состоянии, а для диодов используется встроенная модель в программе NAP2. При моделировании электронных устройств используются три основных разновидности программ: - универсальные программы для математических расчетов, такие как MathCAD, MathLAB и др; - универсальные программы для моделирования электронных устройств: Micro-CAPV, P-SPICE A/D, APLAC 7.0; - специализированные программы, используемые при моделировании определенного класса схем, например, System View. Наибольшее распространение получила универсальная программа схемотехнического моделирования P-SPICE и ее версии 6,7 и 8, которая была разработана корпорацией Micro Sim в 1984 году для IBM-PC и позволяла моделировать аналоговые устройства. В 1989 году были созданы новые версии, позволившие моделировать аналого-цифровые устройства и печатные платы.
Программа Micro-CAPl была разработана фирмой Spectrum Software в 1981 году. В результате совершенствования этой программы в 1997 году была создана программа Micro-CAP V, которая включала большую картотеку компонентов (более 10 тыс. наименований), а так же программу вариаций параметров элементов. Учебную программу можно получить по Internet, обратившись на Web-страницу: http://www/spectrum-soft.com/demo, html. Программа имеет следующие характеристики: - большая библиотека; - мощный графический редактор электронных схем; - возможность моделирования динамики; - возможность расчета параметров математической модели элементов по справочным и экспериментальным данным; - результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц. В начале создается принципиальная схема электронного устройства, после этого выполняется моделирование, которое включает один из типов анализов схемы: - расчет режимов по постоянному току (DC-Analysis); - расчет частотных характеристик или анализ по переменному току (AC-Analysis); - расчет переходных характеристик (Transient Analysis).
Структура и принцип работы при моделировании переходных процессов электрических цепей с вентилями Процесс решения задачи состоит из двух этапов: первоначальной постановки задачи исследования пользователем и уточнения постановки этой задачи, так как первоначальное может не удовлетворять его.
Необходим интеллектуальный интерфейс, способный выполнять следующие функции: - обеспечение пользователю возможности постановки задачи для ЭВМ путем сообщения только ее условия; - обеспечения для пользователя возможности самостоятельного формирования операционной среды решения задачи, на основе только терминов и понятий; - обеспечения для пользователя естественных для него форм представления информации, которой он обменивается с вычислительной системой в процессе решения задачи; - возможности изменения по желанию пользователя структуры диалога. Структура вычислительной системы состоит из трех объединенных комплексов вычислительных средств. Первый комплекс средств представляет собой средства интеллектуального интерфейса: трансляторы, средства общения, взаимопонимания. Второй комплекс представляет собой совокупность выполняющих программ, вычислительных, логических, поисковых средств для эффективного решения задач и является исполнительной системой. Третим комплексом средств, с помощью которых организуется взаимодействие первых двух, является база знаний, которая обеспечивает использование вычислительными средствами первые два комплекса и является независимой от обрабатывающих программ.
Традиционные языки программирования были ориентированы на "процесс", т.е. на построение сложных программ и их эффективное выполнение. К подобным языкам программирования следует отнести АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ, ПЛ-1, СИ. Наиболее адекватными языками для представления знаний являются языки обработки символьной информации, такие как ЛИСП, РЕФАЛ, СНОБЛ, ПРОЛОГ и др.
Для цепей имитационного моделирования был разработан специальный язык представления знаний - язык матричных структур ЯМС.
При моделировании электрической цепи с полупроводниковыми вентилями вводят данные о схеме: ее активных ( источник), управляющих (вентили)и пассивных (резисторы, емкость, индуктивности) компонентах и заканчивают расчетом мгновенных значений напряжений и токов в переходном и установившемся режимах работы.
Как и для любой физической системы составляется система дифференциальных уравнений, описывающих процессы в цепи.
На этом этапе моделирования возникают основные трудности, заключающиеся в том, что полупроводниковые устройства являются нелинейными элементами, и их внутреннее состояние будет определять вид системы дифференциальных уравнений на каждом интервале неизменности структуры электрической цепи.
Структура и принцип работы при моделировании переходных процессов электрических цепей с вентилями
Совокупность этих двух математических описаний и составляет математическую модель системы. Каждая электрическая компонента должна иметь, по крайней мере, два зажима и может быть представлена в виде ориентированного отрезка, называемого полюсным графом двухполюсной компоненты.
При математическом описании характеристик электрической компоненты используются символы мгновенных значений напряжения и тока: u(t) и i(t) , которые называют полюсными переменными компоненты. Описание электрических характеристик двухполюсника считается полным, если дано уравнение или график, связывающее переменные u(t) и i(t). Такое уравнение называется полным уравнением , вместе с полюсным графом компоненты образуют полюсное представление компоненты. Если, например, напряжение на зажимах не зависит от тока, то полюсное уравнение имеет вид u(t)=E. Когда в качестве компоненты электрической цепи выступают ее параметры R,L и С , то полюсные уравнения этих компонент, соответственно, будут иметь вид:
Эти двухполюсники называют пассивными компонентами. Источники энергии носят название активных компонент. Если полюсная характеристика активного двухполюсника апроксимируется линией параллельной (перпендикулярной) оси тока i(t), то компонента называется источником напряжения (тока) и ее полюсное уравнение имеет вид: u(t) = U0(t),i(t) = I0(t), где U0 (t) и 10 (0 - заданные функции времени. Участки с полупроводниковыми элементами имеют «управляющие» компоненты, которые обладают нелинейными характеристиками и в их полюсные уравнения в обязательном порядке входят логические условия. Такими управляющими компонентами являются: реле, диод, тиристор и транзистор. Ввести логические условия в полюсные уравнения управляющих компонент, удобно с помощью переключающих функций полупроводниковых коммутаторов, содержащих в себе свою информацию о нелинейном характере полупроводникового элемента и удобную для ввода в ЭВМ:
Граф электрической цепи является не геометрической, а топологической фигурой. Существенные свойства отражают только направления ветвей и характер связи между вершинами. Важно лишь то, какие ветви входят в данную вершину и какие выходят из нее. С помощью графа легко составить уравнения контуров и вершин, которые применительно к электрическим цепям представляют собой систему уравнений по 1 и 2 законам Кирхгофа. Важным фактором при составлении системы дифференциальных уравнений цепи является выбор структуры дерева графа. Теория графов наиболее эффективна, если она используется с теорией матриц.
Изображение электрической цепи графом схемы дает возможность представить ее в виде некоторой таблицы, называемой матрицей соединений. Матрица соединений является прямоугольной матрицей, строки которой соответствуют узлам (или вершинам) графа схемы без одного, а столбцы - ветвям графа электрической цепи. Элементы матрицы соединений равны нулю, единице или минус единице, если рассматриваемая ветвь, соответственно, не соединена с узлом, направлена от или к данному узлу. Произведение матрицы соединений на матрицу столбец токов в ветвях схемы и приравнивание этого произведения нулю образует систему уравнений по 1 закону Кирхгофа.
Для составления уравнений по 2 закону Кирхгофа необходимо образовать вторую прямоугольную матрицу, называемую матрицей контуров. Количество строк матрицы контуров соответствует числу хорд в графе электрической цепи, а количество столбцов - числу ветвей графа. Элементы матрицы контуров равны нулю, единице или минус единице, если при обходе контура, образованного данной хордой и ветвями дерева графа, вдоль хорды ветвь соответственно, не входит в контур согласно обходу, входит в контур по или против обхода. Умножение матрицы контуров на матрицу столбец компонентных уравнений и приравнивание полученного произведения к нулю образует систему уравнений по 2 закону Кирхгофа.
Структурная блок-схема описанной процедуры составления дифференциальных уравнений электрических цепей с вентилями, показана на рис. 4.1.
Пользователь, обращаясь к ЭВМ с помощью интеллектуального интерфейса, вводит в машину исходные данные в структуре и параметрах электрической цепи. База знаний о законах электротехники (1,2 законы Кирхгофа, законы коммутации, методы теории графов и т.д.) позволяет системе самостоятельно сформировать для каждого момента времени систему дифференциальных уравнений, информация о которой в виде матрицы соединений и матрицы контуров передается в блок стандартных процедур решения системы дифференциальных уравнений на основе метода Гаусса и метода Рунге-Кутта. В результате проведенного расчета известными становятся текущие значения токов в каждой ветви и потенциалов всех узлов схемы, которые накапливаются в базе конкретных знаний о динамике системы. Система непрерывно производит контроль режима работы вентилей схемы в блоке анализа текущего состояния динамики системы, и в случае необходимости в работу включается блок синтеза структуры системы. Последний, передает информацию об изме 91 нениях в схеме в базу знаний фундаментальных законов электротехники, которая на основе ее синтезирует вновь уравнения системы. Все текущие значения токов и потенциалов непрерывно поступают в блок формирования динамических (дифференциальных) и статических (интегральных) характеристик, которые затем накапливаются в соответствующей базе знаний и по мере надобности выводятся на дисплей пользователю. Последний, имеет возможность корректировки исходных данных, после чего в случае необходимости процесс расчета повторяется снова.
Процесс ввода информации об электрической цепи начинается с ввода данных о структуре или схеме электрической цепи. Определяют число узлов и ветвей. Намечают независимые узлы и независимые контуры для составления дифференциальных уравнений по 1 и 2 законам Кирхгофа.
