CC BY
21
6. Tesla Nikola. Lektsii i stat'i [Lectures and articles]. Moscow, Tesla Print Publ., 2003. 386 p. (Rus.)
7. Iavorskii B.M., Detlaf A.A., Lebedev A.K. Spravochnikpo fizike dlia inzhenerov i studentov VU-Zov [Physics handbook for engineers and students of universities]. Moscow, Oniks Publ., 2006. 1056 p. (Rus.)
8. Atabekov G.I. Osnovy teorii tsepei [Fundamentals of circuit theory]. Leningrad, Energiia Publ., 2006. 220 p. (Rus.)
9. Korn G., Korn Т. Spravochnik po matematike dlia nauchnykh rabotnikov i inzhenerov [Mathematical handbook for scientists and engineers]. Moscow, Nauka Publ., 1973. 832 p. (Rus.)
Рецензент: А.В. Гнатов д-р техн. наук, проф., ХНАДУ
Статья поступила: 01.12.2017
УДК 621.316.722 doi: 10.31498/2225-6733.36.2018.142548
© Хорошко Р.А.1 Теницький Б.А.2 Бялобржеський О.В.3
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДИНАМ1ЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТУЖНОСТ1 ЕЛЕКТРИЧНО1 ЕНЕРГП В КОЛ1 ТИРИСТОРНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРУГИ, ЩО ЖИВИТЬ СИНХРОННИЙ ДВИГУН
В po6omi шляхом моделювання проведено до^дження розподшу потужност1 еле-ктричног енергИ' системи електроспоживання виробничого цеху. В якостi енерго-емного об 'екту з нелттним навантаженням обрано nprnid синхронного двигуна, що керуеться тиристорним перетворювачем. В ходi до^джень розглянуто вплив даног системи на потужтсть електричног енергИ'. Ключовi слова: компоненти потужностi, синхронний двигун.
Хорошко Р.А., Теницкий Б.А., Бялобржеский А.В. Исследование динамических характеристик мощности электрической энергии в цепи тиристорного регулятора напряжения, что питает синхронный двигатель. В работе путем моделирования проведено исследование распределения мощности электрической энергии системы электроснабжения производственного цеха. В качестве энергоемкого объекта с нелинейной нагрузкой выбрано привод синхронного двигателя, управляемого тиристорным преобразователем. В ходе исследований рассмотрено влияние данной системы на мощность электрической энергии. Ключевые слова: компоненты мощности, синхронный двигатель.
R.A. Khoroshko, B.A. Tenitsky, O. V. Bialobrzhesky. Dynamic characteristics research of electric output in the curcuit with thyristor voltage regulator supplying the synchronous motor. Societal development is followed by increasing consumption of electrical energy. Sharp increase of energy consumption is conditioned by escalation of production and technological advancement. The number of industrial consumers is rising, most of which are non-linear, non-symmetrical and ever-changing. Primarily they are semiconductor converters of high power capacity. These are thyristor converters and thyristor regulators. Thyristor voltage regulators are widespread in different production spheres. Mostly they are used as soft start devices for synchronous and asynchronous machines.
1 студент, КрНУ «Кременчуцький нацюнальний ^верситет iMeni Михайла Остроградського», м. Кременчук, metacritic@ukr. net
2 студент, КрНУ «Кременчуцький нацюналънт умверситет iMeHi Михайла Остроградського», м. Кременчук
3 канд. техн. наук, доцент, КрНУ «Кременчуцький нацюналънт умверситет iменi Михайла Остроградського», м. Кременчук, seemal@kdu. edu. ua
Thyristor transducers and thyristor voltage regulators are used to control the modes of electrical installations as well. Higher harmonics emerge during thyristor converter's operation. These upper harmonics can cause overheating and breakdown of neutral conductors, false starts of fuses and automatic switches, accelerated aging of wires and cables, additional power losses in transformers, distortion of voltage sine wave, premature wear and failure of capacitors in power compensation installations, failures of computer and telecommunication hardware, lower power factor of electrical installations and incorrect metering. Proper evaluation of electrical energy quality is one of the most important problems for industrial enterprises in the conditions of modern technological advancement. The up-to-date standard which declares the order of evaluating electrical power components is IEEE 1459-2010 standard. The standard provides the definitions used for measuring electric power quantities under sinusoidal, non-sinusoidal, balanced, or unbalanced conditions. The mathematical expressions used in the past are listed, as well as the new expressions, and the explanations of the new definitions features. Keywords: power components, synchronous motor.
Постановка проблеми. При робот тиристорних перетворювачiв в системах електропос-тачання виникають вищi гармоншш складов^ В умовах сучасного технолопчного розвитку одним з найважливших питань для промислових тдприемств е достовiрна ощнка якосп електро-енергп [1]. В наш час актуальним стандартом, який декларуе порядок визначення компонент потужносп електрично1 енерги, е стандарт IEEE 1459-2010 [2]. В даному стандарт для реалiза-цп алгоритму визначення складових потужносп покладена вимога передачi максимально!' потужносп вщ джерела споживачев^ а саме - прямо! послщовносп основно! гармошки [3].
Ah^Ï3 останшх дослщжень та публжацш. Тиристорш перетворювачi та тиристорш ре-гулятори напруги використовуються для управлшня режимами електротехшчних установок. В теори електропривода отримаш аналiтичнi залежностi моменту асинхронного електродвигуна вщ напруги та втрат енерги в усталених режимах роботи при номшальних параметрах живлячо! мережi [4]. В роботi [5] виконаш дослiдження активних та реактивних потужностей основно! гармонiки в мережi з тиристорним перетворювачем та двигуном постшного струму в квазюта-тичних режимах. Вiдомi також дослiдження з ощнкою рiвня втрат вiд вищих гармошк у син-хронних двигунах [6], але при цьому питання розподшу показниюв електрично! енергiï для по-дiбних систем, працюючих за умов частих пусюв та гальмувань, не дослщжеш.
Метою даноТ роботи е дослщження динамiчних характеристик потужностi електричноï енергiï в колi тиристорного регулятора напруги, що живить синхронний двигун, з використан-ням стандарту 1ЕЕЕ 1459-2010.
Виклад основного матерiалу. Матерiал i методика до^дження. В данш роботi роз-глядаеться система електропостачання цеху обпалювання окатишiв. Для проведення досль джень дану систему було зiбрано в програмному пакетi MatLab. Схема складаеться з блокiв, що е е^валентними елементам системи. Об'ектом дослщження даноï математичноï моделi е система тиристорний перетворювач - синхронний двигун, що iмiтуе собою електричну систему шарового млина. В данш установщ застосовано синхронний двигун типу СДЗ-2-250-1500У3. Для зручносп споживачi цеху було об'еднано в одну групу та представлено у виглядi активно -шдуктивного навантаження.
Дослщжувана система електроспоживання (рис. 1) складаеться з наступних елементв: трифазне джерело живлення, яке iмiтуе параметри мережу (1): U = 35 кВ; двохобмотувальний трансформатор цехово1' пiдстанцiï (2): P = 10000 кВА, U = 35 кВ, U2 = 6 кВ; блок вимiрювання струму та напруги мережi (3); активно-шдуктивний опiр лiнiï та шинопроводу (4): R = 0,084 Ом, L = 0,000067 Гн; система «тиристорний регулятор - двигун змшного струму» (5); блок, що задае графiчний штерфейс осцилографам, (6) [7]; блок завдання кута керування тиристорами регулятора (7); блок, що iмiтуе навантаження стороншх споживачiв, (14). Для визначення пока-зниюв потужносп електрично1' енерги в контрольованих вузлах (сторони нижчо1' напруги трансформатора та статорного кола синхронного двигуна) введено блоки вимiрювальних тдсистем (8) та (9). Сигнал на щ тдсистеми подаеться з адресних портв (10-13). Щцсистеми (8) та (9) iдентичнi та забезпечують визначення компонент потужностей [2], яю характеризують кшь-кiсть та яюсть електрично!' енергiï.
Рис. 1 - Схема системи електроспоживання
Вважаючи струм та напругу перюдичними несинусощальними сигналами, що складають-ся з двох компонент [2]: фундаментально! i1, u1 та решти члешв iH, uH :
i = u1 + uH,
якi визначаються:
ij =42ll sin (cot + yñ ); uj = ^¡2Ul sin (rnt + yñ);
гн sin (kct+¥л);
k Л
UH = ^^2Uk Sin (kCt +Vuk X
k Л
де Uk, Ik - амплггуди гармонiйних складових напруги та струму; y/ñ , \¡/uj - початковi фази вiдповiдних гармонiйних напруги та струму, потужнють визначають шляхом множення:
p = ui.
Визначають активну потужнють:
j z+kT j z+kT j z+kT
P =— I pdt =— I pdt =— I uidt, kT J kT J kT J
z z z
де T - перюд; k - позитивне цше число; z - точка початку вимiрювання. Ефективне значення напруги та струму:
U =
j z+kT
— í u ¿dt; I = kT 1
л z+kT i- í kT
Ефективне значення вищих гармонiйних складових напруги та струму:
uh ^ЦЩ; iH =Щп
k Л
k #j
Потужнють роздшяють на складовi - фундаментальну р та нефундаментальну PH - на-ступним чином:
P =—
j z+kT j z+kT
T í Pdt = kT í Pd =pj + рн;
kT z z
j z+kT
pj = kT í ujijdt = ujiJ
cos^j;
Рн = U010 +Y,UkIk cosn = P - Pj.
k #j
Фундаментальну реактивну потужнiсть [2] визначають як:
Qj = Т^ | ij [jujdt
~kT
dt = Uj Ij sin q\.
Також використовуеться поняття повно! потужносп:
S = UI,
де U, I - дiючi значення напруги та струму. При цьому доцшьнють використання поняття
i = ij + íh ;
2
повно! потужностi полягае у наданнi !й змiсту, мiри кiлькостi активно! потужносп, що може передаватися в навантаження з синусо!дальним струмом та напругою, якi мають вiдповiднi дь ючi значення.
Разом з цим повну потужнють роздiляють на фундаментальну:
8 = и,
8.2 = Р + а2,
що вщповщае вiдомим представленням потужностi для моногармошчних струмiв та на-пруг, та нефундаментальну повну потужнють:
яку подшяють на три складов^
^т2 - 8 - 51,
- В/ + D2U + 82,
де
— и, 1н - потужнють спотворення струму; Ви — ин1] - потужнiсть спотворення напруг;
8Н — ин1н — ^РН + ВН - гармонiчна повна потужнiсть, де ВН - потужнють гармошчних
-'н
спотворень:
Вн Ч82н - Р
:>2 1н
На рисунку 2 наведено систему «тиристорний регулятор - двигун змшного струму» (рис. 1. блок 5), сформовану в середовищi вiзуального програмування. Схема включае наступнi блоки: систему iмпульсно-фазового управлiння (1); блокування (2); зус^чно-паралельно ввiм-кненi тиристорш модулi (3-5); пiдсистему пуску синхронного двигуна (6); блоки синхрошзацп за напругою фаз (7-9); блоки комутацп синхронного двигуна на шдсинхроннш швидкосп (1011); навантаження власних потреб (12); порти, через яю тдсистема отримуе живлення (13); порт, через який блок фазового управлшня отримуе сигнал керування (14).
Рис. 2 - Схема тдсистеми тиристорного регулятора напруги двигуна змшного струму
Схема пуску синхронного двигуна, що наведена на рисунку 3, мае у своему склада син-хронний двигун, що iмiтуе привщ шарового млина (1); блок, що забезпечуе обмеження змши сигналу (2); блок змши потужносп на валу двигуна (3); блок комутаци обмотки збудження з пускового опору на незалежне джерело (4); блоки завдання потужносп та напруги (5-7); блок масштабування (8), який iмiтуе пусковий активний отр; блок детектування шдсинхронно! швидкосп (9); RS-тригер (10) для фшсацп моменту досягнення шдсинхронно! швидкосп; осци-лограф (11), що вщображае параметри синхронного двигуна; осцилограф (12), що вщображае напругу в колi двигуна; блок вимiрювання фазних струмiв та напруг статора синхронного двигуна (13); адресний порт (14); порти, через яю тдсистема отримуе живлення (15).
Для дослщження показниюв енергоспоживання в перехщному режимi з обмеженням струму статора сформовано залежнють кута керування тиристорним регулятором у чаш
(рис. 4), що в кшцевому випадку реалiзуе плавний пуск двигуна [8].
Рис. 3 - Щцсистема пуску синхронного двигуна
.3|дпа1 1........................;...................................:..... ; I -\..................................;..................................4-..................................! I__________________________________!___________________________________I___________________________________!
I- 1 I
! ! I ! Час г, с
\ : : 1 1 : 1
Рис. 4 - Сигнал керування тиристорним перетворювачем
Результати до^джень. Для перевiрки працездатносп та адекватностi моделi виконано контроль та реестрацiю часових дiаграм струму, моменту та швидкосп обертання синхронного двигуна. Вони представлеш на рисунку 5. За техшчними даними машини момент !! шерцп при-зводить до досить тривалого запуску при моделюванш. Щоб зменшити цей час, параметр кое-фщенту шерцп машини знижено до н = 1 с.
Рис. 5 - Струм статора, швидюсть обертання та електромагштний момент синхронного двигуна
В ходi попереднiх дослiджень встановлено, що при малому кун керування тиристорами на iнтервалi часу 4,8-6 с (рис. 4) вщбуваеться зрив регулювання тиристорного регулятора. Та-кож обмотка збудження перемикаеться на джерело живлення. Це забезпечуеться блоками 10, 11 (рис. 2).
Проведено дослщження характеру споживано! системою потужносп. Для аналiзу визна-чеш певнi компоненти потужносп. Процес запуску супроводжуеться виникненням гармошк як струму, так i напруги, та !х змiною пiд час пуску. Цшавим е розподiл потоюв електрично! енер-гп. Вони зумовлеш основною гармонiкою струму та напруги i вищими гармонiками в колi статора синхронного двигуна та на обмотках нижчо! напруги трансформатора. В ходi виконання дослiдження отримаш дiаграми змiни у часi наступних компонент потужносп електрично! ене-ргп [2]:
0
1
2
3
4
6
5
1) активно! потужносп прямо! послiдовностi основно! гармонiки - рис. 6, а;
2) реактивш потужностi прямо! послщовносп основно! гармонiки - рис.6, б;
3) потужносп спотворення зумовлено! гармошками напруги - рис. 7, а;
4) потужносп спотворення зумовлено! гармошками струму - рис. 7, б.
4
Активна потужнють прямо! послщовносп
3 основно! гармошки Р {+, МВт 2
А
\
Б
Час! с
Реактивна потужнють прямо! послвдовносп
основно! гармошки Q| МВАр -
\
¡ГШ
г—1 --■.,. ■ ъ Щ.....V
" 1 Час ^ с
б
Рис. 6 - Результати вимiрювання потужностей прямо! послщовносп: а - активна потужнють прямо! послщовносп основно! гармошки (А - на сторош низько! напруги трансформатора; Б - в колi статора синхронного двигуна); б - реактивна потужнють прямо! послщовносп основно! гармошки (А - на сторош низько! напруги трансформатора; Б - в колi статора синхронного двигуна)
5 Потужнють спотворення, зумовлена
2
Потужнють спотворення, зумовлена гармошками струму De], МВАр |
А ¡1
Час ^ с
б
Рис. 7 - Результати вимiрювання потужностей спотворення: а - потужносп спотворення, зумовлеш гармошками напруги (А - на сторош низько! напруги трансформатора; Б - в колi статора синхронного двигуна); б - потужносп спотворення, зумовлеш гармошками струму (А - на сторош низько! напруги трансформатора; Б - в колi статора синхронного двигуна)
На рисунку 6, а, активна потужнють прямо! послщовносп основно! гармошки в колi статора синхронного двигуна (Б) суттево нижча, шж на сторош низько! напруги трансформатора (А) через наявнють стороншх споживачiв (рис. 1, блок 14).
Графши, наведеш на рисунках 6, б та 7, а, пщтверджують вiдомi мiркування - зi змен-шенням кута керування тиристорним регулятором зменшуеться зсув фази мiж струмом та на-пругою основно! гармошки, тому активна потужнють зростае. В той же час характер змши реактивно! потужносп на iнтервалi (0-4 с) (рис.6, б) не вщповщае зазначеним мiркуванням.
При цьому потужнють спотворення, викликана гармошками напруги, що виникають при робот системи «тиристорний регулятор напруги - синхронний двигун», передаеться в мережу, але виявляеться в нш як потужнють спотворення, викликана гармошками струму. Визначення причин тако! змши компонент потужносп потребуе додаткових дослщжень. Перспективою таких дослщжень е бшьш чгтке розумшня компонент потужностей, що в подальшому може дати можливють для виведення математичних залежностей, що будуть пояснювати характер поведь нки даних компонент. Володшня такими математичними залежностями в перспективi дозволить бшьш точно ощнювати параметри потужностей та конструювати бшьш досконалi моделi електричних машин.
0
6
0
1
3
4
5
1
2
3
4
а
1
0
0
1
2
3
4
а
Висновки
При дослщжеш е^валентно! схеми електропостачання з використанням моделювання встановлено, що для системи «тиристорний регулятор напруги - синхронний двигун» за умов реалiзащ! режиму пуску з регулюванням кута керування потужнють спотворення, викликана гармошками напруги, передасться в мережу, але виявлясться в нш як потужнють спотворення, викликана гармошками струму.
Список використаних джерел:
1. Жежеленко И.В. Качество электрической энергии на промышленных предприятиях / И.В. Жежеленко. - 6-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1981. - 161 с.
2. IEEE 1459-2010 Standard Definition for the measurement of Electric Power Quantities under sinusoidal, nousinusoidal, balanced or unbalanced conditions. - IEEE Power and Energy Society. -Introduced 19-03-2010. - New York, 2010. - 40 p.
3. Willems, J.L. The Apparent Power Conceptand the IEEE standard 1459-2000 / J.L. Willems, J.A. Ghijselen, A.E. Emanuel // IEEE Transactions on Power Delivery. - 2005. - Vol. 20, issue 2. - Pp. 876-884.
4. Лавршенко Ю.М. Основи електроприводу / Ю.М. Лавршенко, О.Ю. Синявський, В.В. Савченко. - Ки!в, 2010. - 161 с.
5. Карлик С.П. Дослщження споживання електрично! енерги електродвигунами змшного i постшного струмiв з електричними перетворювачами / С.П. Карлик, О.В. Бялобржеський // Електромехашчш i енергозберiгаючi системи. - 2011. - Вип. 2 - С. 50-53.
6. Особливосп регулювання електродвигушв пристроями силово! перетворювально! техшки промислового електроприводу / 1.В. Пантелеева [та ш] // Комунальне господарство мют. -2012. - № 112. - С. 61-65.
7. Терёхин В.В. Основы моделирования в MATLAB: в 2 ч. / В.В. Терёхин. - Новокузнецк : Кузбассвузиздат, 2004. - 2 ч. - 212 с. - (Simulink).
8. Моделювання електромехашчних систем / О.П. Чорний, А.В. Луговий, Д.Й. Родькш, Г.Ю. Сисюк, О.В. Садовий. - Кременчук, 2001. - 410 с.
References:
1. Zhezhelenko I.V. Kachestvo elektrycheskoi enerhyy na promyshlennykh predpryiatyiakh [Quality of electric energy at industrial enterprises]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1981. 161 p. (Rus.)
2. IEEE 1459-2010 Standard Definition for the measurement of Electric Power Quantities under sinusoidal, nousinusoidal, balanced or unbalanced conditions. IEEE Power and Energy Society. New York, 2010. 40 p.
3. Willems J.L., Ghijselen J.A., Emanuel A.E. The Apparent Power Conceptand the IEEE standard 1459-2000. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, vol. 20, iss. 2, pp. 876-884.
4. LavrInenko Y.M. Osnovi elektroprivodu [The basics of the electric drive]. Kiev, 2010. 161 p. (Ukr.)
5. Karlik E.P., Byalobrzheskyi A.V. Doslidzhennia spozhivannia elektrichno! energi! elektrod-vigunami zminnogo i postiinogo strumiv z elektrichnimi peretvoriuvachami [Research electricity consumption aс and dс motors with electrically converters]. Elektromekhanichni i energoz-berigaiuchi sistemi - Electromechanical and energy saving systems, 2011, no. 2, pp. 50-53. (Ukr.)
6. Pantyleeva I.V. Osoblivosti regulyuvannya elektrodviguniv pristroyami silovoyi peretvoryuval-noyi tehniki promislovogo elektroprivodu [Peculiarities of regulation of electric motors by devices of power transforming technology of an industrial electric drive]. Komunalne gospodarstvo mist -Municipal economy of cities, 2012, no. 112, pp. 61-65. (Ukr.)
7. Teryohin V.V. Osnovyi modelirovaniya v MATLAB. Chast 2. Simulink [Fundamentals of modeling in MATLAB. Part 2. Simulink]. Novokuznetsk, Kuzbassvuzizdat Publ., 2004. 212 p. (Rus.)
8. Chorniy O.P. Modelyuvannya elektromehanlchnih sistem [Modeling of electromechanical systems], Kremenchuk, 2001. 410 p. (Ukr.)
Рецензент: С.С. Старостш д-р техн. наук, проф., КрНУ
Стаття надшшла 06.01.2018
