авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка концептуального подхода к обеспечению электромагнитной совместимости бытовых электроприемников

На правах рукописи

ЯНЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПОДХОДА К ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ БЫТОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013г.

2

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Цырук Сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизированного электропривода» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» Остриров Вадим Николаевич кандидат технических наук, ведущий инженер ОАО «Фирма ОРГРЭС» Краснова Анна Николаевна Ведущее предприятие: ООО «Линвит», 105120, г. Москва, Б.

Полуярославский пер., д. 18, стр. 3.

Защита состоится 21 июня 2013 года в аудитории М-611 в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул.

Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « » мая 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.157. к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1. Анализ номенклатуры бытовых ЭП с целью выявления наиболее важных источников ВГ тока и их типовых схем.

2. Аналитическое моделирование ВГ входного тока обобщенного нелинейного бытового ЭП.

3. Компьютерное моделирование ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

4. 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:

1. Разработана аналитическая модель ВГ входного тока обобщенного нелинейного ЭП, учитывающая несинусоидальность напряжения питания и возможное наличие нескольких интервалов проводимости мостового выпрямителя.

2. Разработаны компьютерные модели ВГ входного тока «характерных» нелинейных бытовых ЭП.

3. 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:

1. Анализ номенклатуры бытовых ЭП по степени генерируемой ими несинусоидальности.

2. Типовые схемы бытовых нелинейных ЭП и обобщенная модель нелинейного ЭП.

3. Аналитическая модель обобщенной схемы нелинейного ЭП.

4. Компьютерные модели «характерных» нелинейных ЭП.

5. Типовые распределения ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

6. 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 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 приложения. Приложение представлено на 3 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы. Сформулирована цель диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена классификация номенклатуры бытовых ЭП по уровню генерируемой ими несинусоидальности тока, проанализирована обобщенная структура бытовых ЭП с ИВЭ, как основных источников высших гармонических составляющих тока среди бытовых ЭП;

выделены «характерные» нелинейные ЭП и их типовые схемы.

Исходя из номинальной мощности, частоты и продолжительности включения, характера нагрузки и степени нелинейности ВАХ, совокупность бытовых ЭП квартиры может быть подразделена на три группы. В первые две группы входят мощные ЭП с резистивной и электродвигательной нагрузкой, характеризующиеся низким уровнем эмиссии ВГ тока. В отличие от них ЭП третьей группы, включающей бытовую электронику и электроосветительные приборы, имеют резко нелинейную ВАХ и высокую долю в суммарном электропотреблении квартиры.

Фильтр Силовая Мостовой ККМ Нагрузка ЭМП часть ИВЭ выпрямитель U g Рисунок 1 – Общая структура ЭП с ИВЭ.

Анализ топологий ЭП бытовой электроники и электроосвещения (рисунок 1) в качестве основного источника несинусоидальности в структуре ЭП выявил входной каскад электроприбора, состоящий из мостового выпрямителя, сглаживающего конденсатора и схемы коррекции коэффициента мощности (ККМ) (рисунок 1). Мостовой выпрямитель со сглаживающим конденсатором при своей работе характеризуется импульсной кривой входного тока, содержащей высокие уровни 3-й, 5-й, 7-й и т.д. ВГ тока. Уровень несинусоидальности входного тока нелинейного ЭП также зависит от наличия и типа схемы ККМ, которые подразделяются на пассивные и активные. ЭП без ККМ отличаются повышенным уровнем искажений тока за счет импульсной кривой тока и коэффициентом мощности менее 0.5 и применяются в ЭП освещения и бытовой электроники мощностью ниже 25 Вт и 75 Вт, соответственно. ЭП с пассивной коррекцией коэффициента мощности (ПККМ) для снижения несинусоидальности кривой тока применяют реактивные элементы, тем самым увеличивая максимальный коэффициент мощности до 0.7. Компромиссом этого улучшения является увеличение массогабаритных показателей и потерь в громоздких низкочастотных реактивных элементах коррекции. Схемы с активной коррекцией коэффициента мощности (АККМ) лишены недостатков ПККМ: коэффициент мощности, близкий к 1, и высокий КПД достигаются за счет использования повышающего преобразователя напряжения, формирующего кривую тока в соответствии с входным напряжением, придавая ЭП с АККМ свойства активного сопротивления.

Недостатком схем с АККМ является сложность системы управления преобразователя и относительно высокая стоимость.

В качестве «характерных» были выбраны ЭП без схемы ККМ, с ПККМ, с АККМ: КЛЛ без ККМ и с АККМ, светодиодная лампа с ПККМ и ИИП ПК с ПККМ и АККМ;

были выявлены наиболее типовые схемы «характерных» ЭП, позволяющие построить модели гармонического спектра входного тока.

Во второй главе предложена аналитическая модель эмиссии ВГ входного тока ЭП с ИВЭ в установившемся режиме, учитывающая зависимость искажения тока от несинусоидальности питающего напряжения, а также наличие нескольких интервалов проводимости мостового выпрямителя.

С учетом повсеместного применения мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором в нелинейных ЭП, а также на основе допущений об установившемся режиме работы ЭП и о возможности замещения преобразователя ЭП эквивалентным активным сопротивлением получена схема обобщенной модели ЭП с ИВЭ (рисунок 2). Эта схема состоит из источника напряжения ug, мостового выпрямителя, сглаживающего конденсатора Сf, активного сопротивления нагрузки RL и некоторой схемы ПККМ, наиболее распространенным вариантом которой является последовательное подключение входной индуктивности LC.

ig = i L idc LС RС iin iС ug = Uns Сf uac RL uС uC 1 ig ug t + 0’= + Рисунок 2 – Упрощенная схема и временные диаграммы мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором.

Процесс моделирования состоит из следующих этапов:

1. определение величины эквивалентного сопротивления нагрузки RL;

2. получение выражений для тока в индуктивности iL и напряжения на конденсаторе uC с помощью классического метода расчета переходных процессов;

3. определение параметров интервала проводимости выпрямителя численным методом с помощью уравнений, составленных для граничных условий;

4. определение спектра входного тока мостового выпрямителя путем разложения выражения тока в индуктивности iL в ряд Фурье;

Сопротивление нагрузки определяется следующим образом:

RL (C·UDC)2/Pном, (1) где UDC – напряжение на выходе мостового выпрямителя;

Pном – номинальная мощность ЭП;

C – коэффициент, зависящий от величины колебательной составляющей сглаженного напряжения на выходе выпрямителя.

Работа схемы рисунка 2 характеризуется двумя интервалами:

1. Интервал проводимости диодов, когда соответствующие диоды моста открыты (интервал 1-2 на рисунке 2):

0’ = t, iL(t) 0, uC(t)= Uns(t) – UL(t) – iLRC. (2) 2. Интервал разрядки конденсатора, когда диоды моста закрыты (интервал 2-3 на рисунке 2):

t +, iL(t) = 0, uС(t) = uС()e-p(t – ). (3) Здесь – угол открытия диодов выпрямителя, – длительность интервала проводимости. Таким образом, входной ток iac(t) является прерывистым и его форма определяется длительностью интервала проводящего состояния диодов 0` t.

В результате расчета переходных процессов ток в индуктивности iL(t) и напряжение на конденсаторе uC(t) при 0 t определяются по следующим выражениям iL(t) = iLуст(t) + iLпер(t) = = A0,nsin(n[t + ] +n –n) + +e-/·(t){-/0sin[0/·(t)]Ancos–Asin{/0sin[0/·(t)]+cos[0/·(t)]}. (4) uC(t) = uCуст(t) – uLпер(t) = = Um,n sin(n[t + ] + n + n)·|K(n)| – –Le-/·(t)[Ancos{/0 sin[0/·(t)]– cos[0/·(t)]} + 0/Asinsin[0/·(t)]],(5) где и 0 – параметры характеристических корней схемы;

Um,n, n – амплитуда и фазовый угол n-й ВГ напряжения;

A0,n, Ancos, Asin, - константы, определяемые, исходя из параметров схемы;

·|K(n)|, n – модуль и аргумент комплексного коэффициента, зависящего от сопротивления схемы.

Параметры интервала проводимости определяются итерационным методом. Сначала для каждого значения из предполагаемого промежутка по выражениям (4, 5) рассчитываются интервалы проводимости диодов (1-2) и разрядки конденсатора (1-3). В результате для каждого возможного значения получают моменты окончания интервалов 1-2 и 2-3 ` и на основе условия об интервале между соседними открытиями диодов, равном, ( – ` = ) можно выбрать правильные значения и интервала проводимости.

В случае наличия m интервалов проводимости, вызванных несинусоидальностью кривой напряжения, входной ток для m-го интервала определяется как:

iL (t m1 ) m1 t m, i g (t ) (6) 0 m t ;

где m-1 – момент начала m-го интервала проводимости.

Разложение входного тока ig мостового выпрямителя в комплексный ряд Фурье:

1 m i g [k ] ikt iL (t m1 ) e dt, (7) m 2 m В качестве иллюстрации Таблица 1 – Параметры обобщенной универсальности обобщенной модели монитора ПК при питании модели, описывающей различные несинусоидальным напряжением.

ЭП бытовой электроники, была Входные параметры Интервал рассчитана (таблица 1) и проводимости сопоставлена с данными измерений Pр, LС, С, RL, Rc,, 1,, 2, Вт мГн мкФ Ом Ом рад рад рад рад кривая входного тока монитора ПК при несинусоидальном напряжении 33 1 60 3091 7 1.295 0.31 0.48 0. Спектр ВГ тока монитора, % от осн.

(рисунок 3).

3 5 7 9 11 В третьей главе проведено Эксперимент 95.5 90.5 84.8 79.6 74. 9 69. компьютерное моделирование в Обобщ. модель 97.7 93.6 88.3 82.4 76.1 69. программе Matlab/Simulink «характерных» нелинейных ЭП, относящихся к трем основным измер.ток модел. ток типам входного каскада пит. напр-е электроприбора с ИВЭ, исходя из наличия схемы ККМ. Предложены обобщенные Simulink-модели КЛЛ 11 Вт и 24 Вт без ККМ, КЛЛ 30 Вт с АККМ, светодиодной лампы 3.5 Вт с ПККМ, ИИП ПК 340 Вт с ПККМ и ИИП ПК 500 Вт с АККМ, которые затем были сопоставлены с экспериментальными данными при а б Рисунок 3 - Сравнение экспериментальных питании синусоидальным и) ) и моделируемых кривых входного тока искаженным напряжением.

монитора ПК.

В отличие от фиксированного алгоритма аналитического моделирования компьютерные методы предоставляют возможность быстрого изменения моделируемой схемы, тем самым учитывая индивидуальные особенности конкретного ЭП. Единственной сложностью при моделировании несинусоидальности тока конкретного ЭП является невозможность точно определить топологию и параметры элементов схемы, не разбирая ЭП, поэтому процесс моделирования часто напоминает итерационную последовательность изменения параметра и наблюдения его эффекта на спектр тока.

Обобщенная модель КЛЛ 11 Вт и 24 Вт без ККМ состоит из включенного в фазу токоограничивающего резистора, мостового выпрямителя, сглаживающего конденсатора и эквивалентного активного сопротивления нагрузки, которое замещает преобразовательную часть КЛЛ и рассчитывается по формуле (1). Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования приведено на рисунке 4.

400 400 0. Пит. напряжение Пит. напряжение Экспер. ток Экспер. ток 0. Моделир. ток Моделир. ток 200 200 0. Напряжение, В Напряжение, В 0 0 0 KIerr = 1.1% KIerr = 0.8% -200 -200 -0. I3err = 0.6% I3err = 0.9% -0. I5err = 0.8% I5err = 0.4% I7err = 1.4% I7err = 1.2% -400 -400 -0. 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0. t,с t,с Рисунок 4 – Сравнение результатов моделирования и экспериментальных измерений для КЛЛ 11 Вт при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях.

Обобщенная модель ИИП ПК 340 Вт с ПККМ представляет собой мостовой выпрямитель со сглаживающим конденсатором и активным сопротивлением в качестве нагрузки, на вход которого подключена индуктивность. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования приведено на рисунке 5.

400 1 Пит. напр-е Пит. напряжение 0. Экспер. ток Измер. ток 0. Ток из Simulink Моделир. ток 0.5 0. Напряжение, В Напряжение, В 0. 0 0 -0. - -0. KIerr=3.9% KIerr = 4.8% -0.5 - - I3err=5.4% I3err = 5.3% -0. I11err=0.9% I11err = 2.6% - I13err=0.9% -0. I13err = 4.3% - -400 - 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0. 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0. t,с t, с Рисунок 5 - Сравнение результатов моделирования в Simulink, обобщенной модели ЭП и экспериментальных измерений для ИИП ПК 350 Вт с ПККМ и нагрузкой 50 Вт при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях.

Обобщенная модель светодиодной лампы (СС) представляет собой схему мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором и активным сопротивлением, которая питается от включенного в фазу конденсатора.

400 0. Пит. напряжение Пит. напряжение 0. Экспер. ток Экспер. ток Модел. ток 0. Моделир. ток 0.05 Напряжение, В 0. Напряжение, В 0. 0 0 -0. - -0. KIerr =3.7% KIerr = 3.1% -0.05 - - I3err = 3.6% I3err = 2.3% -0. I5err = 5.7% I5err = 4.1% - -0. I7err = 3.0% I7err = 0.1% -0.1 - - 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0. 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0. t,с t,с Рисунок 6 - Сравнение моделирования и экспериментальных результатов для СС 3.5 Вт с ПККМ при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях.

В результате увеличивается интервал проводимости, тем самым снижая искажения тока, но одновременно за счет емкости на входе cos становится меньше 0.1. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования приведено на рисунке 6.

Universal Bridge Series RLC 1 C urrent1 L C urrent i +- i A + + Voltage 2 Voltage + + C IN AC +v Vap*D1 Ic*D1 +v CF RL - s s B U150Hz -K U250Hz5 KI Product Scope U350Hz Product i KC U450Hz9 ILnorm 110e-4s+ D -K u 2.5e-6s2 +s Iref Add U550Hz11 Transfer Fcn Add Gain Iref U650Hz Transfer Fcn2 KVo Mult KVin Vea Vea -K |Vin|norm 1. -K- |u| 1.0e-3s+1 KUout Add Abs C ontinuous 2. Constant powe rgui Рисунок 7 – Simulink-модель КЛЛ 30 Вт с АККМ.

Обобщенная модель ЭП с АККМ состоит из мостового выпрямителя, повышающего преобразователя, выходного сглаживающего конденсатора, эквивалентного сопротивления нагрузки и системы управления.

400 Пит. напряжение Пит. напряжение Экспер. ток Экспер. ток 0.2 0. Модел. ток Модел. ток 200 Напряжение, В Напряжение, В 0.1 0. 0 0 0 -0.1 -0. KIerr = 2.8% KIerr = 6.3% -200 - I3err = 7.6% I3err = 5.4% -0.2 -0. I5err = 8.2% I5err = 6.2% I7err = 1.8% I7err = 8.3% -400 - 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0. t,с t,с Рисунок 8 - Сравнение результатов моделирования и экспериментальных измерений для КЛЛ 30 Вт с АККМ при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях.

Повышающий преобразователь моделируется зависимыми источниками тока и напряжения, сигнал управления которыми определяется отклонением выходного напряжения и формой напряжения питания. Регулирование спектра входного тока осуществляется с помощью передаточных функций контроллеров по напряжению и току. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования КЛЛ 30 Вт с АККМ приведено на рисунке 8.

Для оценки достоверности Simulink-моделей «характерных» нелинейных ЭП при описании совместной работы группы электроприборов был получен ток питания при одновременном подключении КЛЛ 11 Вт и КЛЛ 24 Вт без ККМ, КЛЛ 30 Вт с АККМ и ИИП ПК 340 Вт с ПККМ. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования приведено на рисунке 9.

400 400 Пит. напряжение Пит. напряжение Экспер. ток Экспер. ток Модел. ток Модел. ток 200 1 200 Напряжение, В Напряжение, В 0. 0 0 0 -0. KIerr = 5.3% KIerr = 5.3% -200 -1 -200 - I3err = 2% I3err = 1.4% I5err = 6.4% I5err = 9.6% I7err = 5.4% I7err = 11.3% -400 - 0.02 -400 0 - 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0. t, с t, с Рисунок 9 - Сравнение результатов моделирования и экспериментальных измерений для группы разнотипных ЭП при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях.

В четвертой главе получены распределения векторов ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП, исследованы эффекты компенсации ВГ тока при питании различных групп электроприборов, даны практические рекомендации по снижению несинусоидальности тока питания совокупности ЭП.

7-я ВГ тока 3-я ВГ тока 5-я ВГ тока 90 90 0.04 0. 0. 120 120 120 0. 0. 0. 0. 0.02 30 150 30 1 0. 0. 0.01 4 0. 180 0 180 0 180 2 330 210 330 210 210 240 300 240 240 Рисунок 10 – Сигнатуры 3-й ВГ тока при изменении амплитуды (черн.) 270фазового угла и (сер.) 3-й ВГ напряжения (1 – без ККМ (фаз.угол) КЛЛ 11Вт КЛЛ без ККМ;

2 – КЛЛ с АККМ;

КЛЛ 11 Вт бе 3 – СС с ПККМ;

ИИП ПК с ПККМ) (приведенные к единому масштабу).

КЛЛ 11Вт без ККМ (ампл.) КЛЛ 30 Вт с Для каждого «характерного» 30Вт с АККМ (фаз.угол) x2ЭП построен индивидуальный нелинейного КЛЛ ИИП ПК СС 3.5 Вт с П КЛЛ 30Вт с АККМ (ампл.) x график распределения концов 3.5Вт с ПККМ (фаз.угол)ВГ тока в зависимости от векторов x3 КЛЛ 11 Вт бе СС несинусоидальности напряжения, с ПККМ (ампл.) x3 называемая так сигнатура ВГ, КЛЛ 30 Вт с СС 3.5Вт ИИП ПК характеризующая реакцию векторов ВГ тока на изменение амплитуды и СС 3.5 Вт с П ИИП ПК 340Вт с ПККМ (фаз.угол) x0. фазового угла отдельных ВГ ИИП ПК 340Вт с ПККМ (ампл.) x0. напряжения (рисунок 10). Питание группы разнотипных ЭП может сопровождаться компенсацией ВГ тока за счет разброса фазовых углов ВГ тока отдельных электроприборов. Данное явление характеризуется с помощью коэффициента неоднородности, равного отношению векторной и алгебраической сумм ВГ тока от каждого ЭП:

N n Ii i DFn (8), N i In i где Ini – вектор n-й ВГ тока от i-го ЭП;

N – число подключенных ЭП.

Эффект неоднородности исследован для двух групп бытовых ЭП:

разнотипной, состоящей из двух КЛЛ без ККМ, КЛЛ с АККМ и ИИП ПК с ПККМ (рисунок 11), и однотипной, включающей КЛЛ различной мощности (рисунок 12). В случае совместного питания разнотипных ЭП компенсация ВГ тока низких порядков (3-я, 5-я ВГ) может достигать 60%. При питании совокупности КЛЛ эффект неоднородности практически не проявляется.

1, DFn 0, 0, 0, 0, КЛЛ 11 Вт без ККМ КЛЛ 11 Вт + 24 Вт КЛЛ 11 Вт + 24 Вт КЛЛ 11 Вт + 24 Вт без ККМ без ККМ + 30 Вт с без ККМ + 30 Вт с АККМ АККМ + ИИП ПК 340 Вт с ПККМ 3-я 5-я 7-я 15-я Рисунок 11 – Зависимость коэффициента неоднородности ВГ тока от состава ЭП в случае питания смешанной нагрузки.

1, DFn 0, 0, 0, 0, КЛЛ 7Вт КЛЛ 7Вт + КЛЛ 7Вт + КЛЛ 7Вт + КЛЛ 7 Вт + КЛЛ 7 Вт + 9Вт 9Вт+11Вт 9Вт+11Вт + 9Вт+11Вт + 9Вт+11Вт + 15Вт 15Вт+20Вт 15Вт+20Вт + 3-я 5-я 7-я 15-я 24 Вт Рисунок 12 – Зависимость коэффициента неоднородности ВГ тока от состава ЭП в случае питания однотипной нагрузки.

Практическое применение эффекта неоднородности для снижения несинусоидальности тока продемонстрировано на примере компенсации ВГ тока питания квартиры в интервале вечернего максимума при замене ламп накаливания (ЛН) на КЛЛ.

90 0. 120 с КЛЛ KI ~ 48% 0. с ЛН KI ~ 53% 150 0. Ток, А 5-я 7-я ВГ 3-я ВГ 0 180 ВГ - 210 - 240 - t, c 0.005 0.01 0.015 0. Рисунок 13 – Кривые тока питания и распределения векторов ВГ тока квартиры в течение вечернего максимума в случае подключения ЛН (светлые линии точки) и КЛЛ (темные линии и точки).

При замене 2-х ЛН 40 Вт на 4 КЛЛ 20 Вт кривая тока питания, ранее имевшая один пик (серые линии) становится двухпиковой (черные линии), тем самым расширяя импульс тока и снижая степень его искажения. Из распределения векторов ВГ тока питания квартиры до и после замены ЛН на КЛЛ (рисунок 13) видно, что это снижение происходит за счет компенсации тока 5-й ВГ – с 35% до 20% от основной гармоники.

Компенсация ВГ тока от неоднородности фазовых углов различных ЭП максимальна:

1. при совместном подключении ЭП с противоположными сигнатурами.

Подобной «совместимостью» характеризуются:

для 3-й ВГ тока – ИИП ПК с ПККМ и СС с ПККМ;

для 5-й ВГ тока – КЛЛ с АККМ и СС с ПККМ, КЛЛ без ККМ и ИИП ПК с ПККМ;

для 7-й ВГ тока – КЛЛ без ККМ и с АККМ;

2. при высокой вероятности одновременной работы ЭП с «противоположными» сигнатурами. Это может быть обеспечено:

- установкой энергосберегающего освещения, КЛЛ или СС, в одной комнате с телевизором или компьютером для обеспечения совместного включения в период вечернего максимума нагрузок квартиры и снижения уровней 5-й или 3-й ВГ тока;

- диверсификацией типов осветительных ЭП за счет совместного использования КЛЛ различной мощности (менее 25 Вт без ККМ и более 25 Вт с АККМ) или включения КЛЛ и светодиодных ламп;

- совмещением питания нагрузок розеточной и осветительной сетей офисных зданий, тем самым суммируя токи ВГ и снижая несинусоидальность тока на уровне ЭП, а не на секциях вводно распределительного устройства при раздельном питании щитов освещения и розеточной сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация представляет собой законченную научно квалификационную работу, в которой проанализировано влияние внешних факторов на уровень несинусоидальности бытовых нелинейных ЭП и даны практические рекомендации по экономически выгодной минимизации эмиссии ВГ тока от группы бытовых электроприборов.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. В результате проведенного обзора номенклатуры бытовых электроприемников выявлены электроприборы, «характерные» с точки зрения их вклада в общую несинусоидальность напряжения сети. Для каждого из «характерных» нелинейных бытовых электроприемников определены типовые электрические схемы.

2. Предложена аналитическая модель обобщенного нелинейного электроприемника, учитывающая влияние несинусоидальности напряжения питания на спектр высших гармонических составляющих тока и позволяющая рассчитывать уровень искажений входного тока для большинства электроприемников освещения и бытовой электроники.

3. Построены точные Simulink-модели «характерных» нелинейных электроприемников, позволяющие анализировать эмиссию высших гармонических составляющих тока как отдельного нелинейного электроприбора при питании напряжением с произвольным гармоническим составом, так и крупных групп нелинейных электроприемников при расчете режимов электросетей.

4. Для всех «характерных» нелинейных бытовых электроприемников получены индивидуальные распределения векторов высших гармонических составляющих входного тока, так называемые сигнатуры, характеризующиеся стабильным положением независимо от уровня искажений напряжения питания.

5. Исследованы эффекты компенсации высших гармонических составляющих тока питания совокупности разнотипных нелинейных электроприемников. На основе сигнатур высших гармоник входного тока «характерных» нелинейных электроприемников предложен метод снижения несинусоидальности тока питания группы электроприборов путем подключения электроприемника с противоположной сигнатурой.

6. По результатам анализа эффектов компенсации несинусоидальности тока при совместной работе групп электроприемников даны рекомендации по снижению уровня искажений для «характерных» нелинейных электроприемников.

7. Результаты описываемых исследований были включены в международную базу экспериментальных данных эмиссии ВГ тока бытовых ЭП «Panda – Equipment harmonic database» в рамках совместной работы с Техническим Университетом г. Дрезден.

Основное содержание работы

отражено в следующих публикациях:

1. Цырук С. А., Янченко С. А. Гармонический анализ нелинейных электроприемников офисных центров // Промышленная энергетика № 2012. – c. 54 – 62.

2. Анчарова Т.В., Бодрухина С.С., Цырук С.А., Янченко С.А. Оценка влияния эмиссии высших гармонических составляющих напряжения и тока от бытовых электроприемников на питающую сеть // Промышленная энергетика №9 2012. – с. 36 – 43.

3. Цырук С.А., Янченко С.А. Анализ номенклатуры бытовых электроприборов с точки зрения степени их помехоэмиссии в сеть // 17-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и электроэнергетика», февраль 2011. – c.

175 – 177.

4. Tsyruk S.A., Yanchenko S.A. “Analysis of harmoniс distortion injected by personal computers” // 17th Energy and Environment Conference ICCI 2011, June 15-17, 2011, Istanbul, Turkey. – pp. 151 – 157.

5. Анчарова Т.В., Бодрухина С.С., Цырук С.А., Янченко С.А.

Несинусоидальность кривых напряжения и тока питания компьютерного оборудования // XL всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи Федоровские чтения 2010, 16-19 ноября, Москва. – c. 73 – 75.

6. Tsyruk S.A., Yanchenko S.A. “Analysis of electromagnetic intereference generated by household electronic devices” // ARSA-2012 - Virtual International Conference on Advanced Research in Scientific Fields. – pp. 381 – 384.

7. Цырук С.А., Янченко С.А. Моделирование несинусоидального влияния на сеть компьютерной нагрузки // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Томск 2011. – с. 162 – 163.

8. Tsyruk S.A., Yanchenko S.A. “A survey on the main probabilistic modeling methods of harmonics in power systems” // Science and education materials of the II international research and practice conference, Munich, December 2012. – pp. 233 – 235.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.