Научная статья на тему 'Исследование потерь электрической энергии, вызванных наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов'

Исследование потерь электрической энергии, вызванных наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
312
71
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ НАПРЯЖЕНИЯ / СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ / ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ / THE HIGHER HARMONICS OF VOLTAGE / STATIC CONVERTERS OF FREQUENCY / PULSE-WIDTH MODULATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Кликушин Юрий Николаевич, Птицына Елена Витальевна, Сорокин Владимир Николаевич

Рассматриваются потери электрической энергии, вызванные наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов. Показано положительное влияние синусных фильтров на гармонический состав токов и напряжений силового канала, а также на существенное снижение дополнительных потерь от высших гармоник в трансформаторе, кабельной линии и самом электродвигателе.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Кликушин Юрий Николаевич, Птицына Елена Витальевна, Сорокин Владимир Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH OF LOSSES OF THE ELECTRIC ENERGY CAUSED BY PRESENCE OF THE HIGHER HARMONICS IN VOLTAGES AND CURRENTS OF THE POWER CHANNEL OF TRANSFORMATION OF ENERGY OF INSTALLATIONS OF ELECTROCENTRIFUGAL PUMPS

The losses of electric energy caused by presence of the higher harmonics in voltages and currents of the power channel of transformation of energy of installations of electrocentrifugal pumps are considered. Positive influence of sinus filters on harmonious structure of currents and voltages of the power channel, and also on essential decrease in additional losses from the higher harmonics in the transformer, a cable line and the electric motor is shown.

Текст научной работы на тему «Исследование потерь электрической энергии, вызванных наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов»

УДК 621.313.321

Ю. Н. Кликушин, Е. В. Птицына, В. Н. Сорокин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ВЫЗВАННЫХ НАЛИЧИЕМ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В НАПРЯЖЕНИЯХ И ТОКАХ СИЛОВОГО КАНАЛА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Рассматриваются потери электрической энергии, вызванные наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов. Показано положительное влияние синусных фильтров на гармонический состав токов и напряжений силового канала, а также на существенное снижение дополнительных потерь от высших гармоник в трансформаторе, кабельной линии и самом электродвигателе.

Основным побочным эффектом широкого внедрения статических преобразователей частоты (СПЧ) станций управления (СУ) установками электроцентробежных насосов (УЭЦН) является генерирование высших гармонических составляющих в токах и напряжениях элементов электрооборудования силового канала преобразования электрической энергии. Подобные установки широко применяются в хозяйстве железнодорожных станций, в электротехнологических установках нефтедобычи и т. д. Особенно актуальным этот вопрос стал при переходе к современным СПЧ на базе транзисторных автономных инверторов напряжения (АИНов) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и несущей частотой модуляции 1,5 - 16 кГц. Специалистами было установлено, что применение такого рода АИНов вызывает опасное повышение напряжения и на погружном асинхронном электродвигателе (ПЭДе) вследствие высоких значений производных ди/Ж, достигающих величин до 7500 В/мкс и более, возникают явления отраженных от зажимов ПЭДа электромагнитных волн резонанса на высших гармониках, поверхностного эффекта, короны; увеличивается вибрация конструкций, возникают дополнительные потери электрической энергии [1, 2].

Средствами преодолния отрицательного воздействия полигармонических выходных напряжений СУ является применение трех основных типов фильтров: дросселей переменного тока, ди/д^-дросселей и фильтров, синусных фильтров различных предприятий - изготовителей электротехнического оборудования. Лучшая защита ПЭДа и элементов электрооборудования силового канала УЭЦН обеспечивается применением синусных фильтров, включенных на выходе СУ [1, 2]. Поскольку в эксплуатации в настоящее время находятся различные типы станции управления с разными принципами действия АИНов и различным гармоническим составом выходных напряжений, становится актуальной задача исследования фактического влияния высших гармоник на несинусоидальность токов и напряжений ПЭДа и потери электрической энергии в силовом канале УЭЦН.

Осуществляется сравнение основных типов СУ - Екк^гоБрееё, Электон, Триол, Эталон -между собой, а также сравнение с напряжениями, имеющими гармонический состав, соответствующий требованиям действующего ГОСТ 13109-97. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Эксперимент проводился в следующей последовательности. Анализатором качества электрической энергии АКЭ-823 регистрировались напряжения на выходных зажимах синусных фильтров или на выходных зажимах станции управления при отсутствии фильтров; анализатором качества электрической энергии определялся гармонический состав напряжения до 60-го порядка включительно; гармонические составляющие напряжения до 100-го по-

рядка определялись расчетным путем на основании визуализации в реальном времени исследуемых переменных по их осциллограммам; расчетным путем определялся гармонический состав токов СУ и ПЭДа и напряжение ПЭДа в соответствии со схемой замещения силового канала электрической энергии, содержащего трансформатор, кабельную линию, удлинитель кабельной линии и ПЭД. Согласно общей методике расчета ПЭДа [3] определялся гармонический состав его напряжения и тока; по результатам расчета определялись коэффициенты искажения синусоидальности кривых напряжения и тока на выходе станции управления 1У1у,

/1у и на двигателе - 02у, /2у соответственно -

Ки =

100

Еи > / и 11;

у=2

ки =

100

I ¡1 / /,,;

2

к2 и =

100

(1)

Еи/и21;

у=2

к 21 =

100

Е/2у / ¡21.

у=2

а также коэффициенты потерь активной мощности, вычисленные как отношение суммарной мощности высших гармоник к мощности первой гармоники на выходе станции управления к1Р и на двигателе К2Р:

к1Р =

100

Едр.

у=2

/ АРП =

100

Е и1У С08(^1, )

у=2

/ ип 1п соБ(^11 );

(2)

к2 Р

100

I ДР2,

у= 2

/ ЛР21 =

100

2v/2v )

у= 2

/ и21/21 соБ(^21)

(3)

где и1у, /1у, и2у, /2у, соб(^>1у ), соб(^2у ) - действующие значениягармоникнапряжений, токов и соответствующие коэффициенты мощности гармоник порядка V = 1,.. .,100.

Все вычисления проводились для диапазона скольжений ПЭДа от холостого хода 5 = 0 до пускового режима 5 = 1, полученные результаты сравнивались с предельно допустимым значением гармонического состава напряжений с коэффициентом искажения синусоидальности к1и = 12 % в соответствии с требованием ГОСТ 13109-97.

Для систематизации проводимого исследования была выбрана нефтедобывающая скважина в следующей комплектации: двухсекционный электроцентробежный насос ЭЦНДИ 550-1700 по 178 ступеней; погружной электрический двигатель ПЭДН 32-117-1000, Электон 05-160 с погружным телеметрическим блоком ТМС М5В5; удлинитель У2-50/16 КПпБП длиной 50 м; основной кабель КП-16-1755 КПпБП длиной 1755 м; промысловый трансформатор ТМПН-63/3-УХЛ1 с напряжением на первичной и вторичной обмотках 380/1069 В.

Математическая модель для выполняемых расчетов с учетом изменения активных и реактивных сопротивлений схем замещения трансформатора, кабельной линии, удлинителя кабельной линии в зависимости от номера гармоники V записывалась в форме:

и* = А02у+¿а ;

(4)

I = СО, + Ь12 .

1у У 2У У 2У

(5)

Здесь Ау, Ву, Су, - параметры математической модели. Данные параметры вычислялись на каждой частоте V = 1,.. .,100 гармоник напряжения 1У1у.

Взаимосвязь между напряжением 02у и током 12у ПЭДа (1), (2) для каждой гармоники

V = 1,...,100

и2у=(Г2У +

12У ■

(6)

определялась на основании общих выражений для активной т2у и реактивной х2у составляющих входного сопротивления ПЭДа, рассчитанных, как отмечалось выше, для различных скольжений 5 с учетом зубцовых гармоник, вытеснения тока в стержнях ротора, насыщения по путям основного потока и потоков рассеяния [3].

Анализу подвергались шесть вариантов: «Стандарт 1», «Стандарт 2» - теоретические выходные напряжения СУ с гармоническим составом по ГОСТ 13109-97 для предельно допустимого коэффициента искажения синусоидальности к1и = 12%; «Эталон» - выходное

напряжение СУ - «СУЧР 630 Эталон», полученное измерением на нефтедобывающей скважине; «Триол» - выходное напряжение СУ - «Триол 400», полученное измерением на нефтедобывающей скважине; «Электроспид» - выходное напряжение СУ - «Е1ес1оБрееё»; «Электон» - выходное напряжение СУ - «Электон-05-400» без выходного синусного фильтра. Результаты расчета согласно математической модели (1) - (6) представлены на рисунках 1 и 2.

Коэффициент искажения синусоидальности напряжения на двигателе ки (см. рисунок 1) для всех исследуемых вариантов повышается с увеличением скольжения ПЭДа 5 (с увеличением загрузки двигателя по моменту). Максимальный коэффициент искажения синусоидальности соответствует варианту, при котором синусный фильтр отсутствует, - СУ «Элек-тон-05» (см. рисунок 1, кривая 1); минимальные значения коэффициента искажения синусоидальности соответствуют вариантам СУ «Эталон», «Электон-04», «Триол» (см. рисунок 1, кривые 4 - 6). Изменение коэффициента искажения синусоидальности для указанных СУ демонстрирует действие сетевых фильтров гармоник, установленных на нефтепромысловой комплектной трансформаторной подстанции. В целом влияние синусных фильтров на искажение синусоидальности напряжения на погружных электродвигателях существенно и оправдывает затраты на их установку.

Коэффициент потерь мощности кр (см. рисунок 2), который определяет дополнительные потери мощности от высших гармоник в силовом канале УЭЦН, для всех исследуемых вариантов понижается с увеличением скольжения ПЭДа 5 (с увеличением загрузки двигателя по моменту); в номинальном режиме работы ПЭДа остается на уровне не выше 1,5 %; в режимах, близких к холостому ходу ПЭДа, дополнительные потери мощности увеличиваются, не превышая, однако, значения 2,5 %; в режимах на участке изменения скольжения от критического до пускового 5 = 1 дополнительные потери мощности несущественны.

В целом положительное влияние синусных фильтров не только сказывается на оптимизации гармонического состава токов и напряжений силового канала УЭЦН, но и приводят к существенному снижению дополнительных потерь от высших гармоник в трансформаторе, кабельной линии и в самом электродвигателе УЭЦН, что является одним из направлений применения энергосберегающих технологий в хозяйстве железнодорожных станций, в электротехнологических установках нефтедобычи и т. д.

k

и

18,0 %

10,8 7,2 3,6 0

1

5 6 3

О 0,2 0,4 0,6 o.e. 1,0

s

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения ПЭДа: 1 - СУ «Элекгон-05»; 2 - СУ «Электроспид»; 3 - СУ с гармоническим составом по ГОСТ 13109-97; 4 - СУ «Эталон»; 5 - СУ «Электон-04»; 6 - СУ «Триол» (-•- - номинальный режим ПЭДа)

3,0

kp

0,2 0,4 0,6 o.e. 1,0 s -►

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента потерь мощности в силовом канале УЭЦН: 1 - СУ «Электон-05»; 2 - СУ «Электроспид»; 3 - СУ с гармоническим составом по ГОСТ 13109-97; 4 - СУ «Эталон»; 5 - СУ «Электон-04»; 6 - СУ «Триол» (-•- - номинальный режим ПЭДа)

Список литературы

1. Хиббард, Дж. Предотвращение аварий двигателя при его удаленном подключении к

преобразователю частоты на ЮБТ [Текст] / Дж. Хиббард, X. Николас // Электротехнический рынок. - 2007. - № 9 (15). - С. 1 - 8.

2. Павленко, В. А. Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности [Текст]/ В. А. Павленко, В. С. Климов, И. В. Климов // Силовая электроника. - 2010. - № 31. - С. 1 - 16.

3. Ковалев, А. Ю. Моделирование погружных асинхронных электрических двигателей в составе установок электроцентробежных насосов [Текст]: Дис... канд. техн. наук. Омск, 2010. - 146 с.

УДК 662.61.502.36:665.754

Д. К. Кузнецова, В. Н. Кузнецов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА СОПЛОВЫХ ОТВЕРСТИЙ ВОДОМАЗУТНЫХ ЭМУЛЬСАТОРОВ

Разработана методика расчета процессов истечения из сопел пароводяной смеси в затопленное пространство, позволяющая производить расчет установок для подготовки водомазутной эмульсии, используемой в качестве топлива в котельных установках предприятий промышленности и железнодорожного транспорта.

Существующие горелочные устройства на котлах малой и средней мощности не обеспечивают качественного распыла топлива, эффективного смешивания капелек мазута и окислителя, что является их конструктивным недостатком. Для обеспечения более полного сгорания топлива операторы котлов вынуждены увеличивать подачу воздуха на горение, что приводит к возрастанию объемов продуктов сгорания и повышению потерь тепла с уходящими газами.

Как показывают многократные испытания, проведенные в разных котельных, в топках котлов не выдерживается оптимальное соотношение «топливо - воздух», коэффициент избытка воздуха достигает 2,0 - 2,5 вместо рекомендуемого значения 1,15. КПД котла при этом снижается на 8 - 10 % по сравнению с номинальным, указанным в паспорте.

Таким образом, главной задачей повышения эффективности работы котлоагрегатов является улучшение качества ведения топочных процессов. Радикальной мерой совершенствования режима горения мазута в топках с механическими форсунками является переход от чистого топлива на водомазутную эмульсию (ВМЭ). Оптимальное содержание воды в мазуте составляет 8 - 12 %, размеры глобул - от 1 до 70 мкм.

При резком снижении давления за соплом форсунки капельки воды, находящейся в перегретом состоянии, вскипают, разрываются на более мелкие, интенсифицируют смешение топлива с окислителем за счет появления составляющих скоростей, перпендикулярных потоку. Одновременно проявляется и каталитическое действие Н20 на процесс выгорания капелек топлива. Устойчивое интенсивное горение ВМЭ, протекающее в более коротком факеле и характеризуемое высокой полнотой сгорания топлива при минимальных избытках воздуха, открывает возможности существенного повышения экономичности работы котлоагрегатов.

Технология приготовления водомазутных эмульсий обычно основана на механическом смешивании и последующем микродроблении капель воды в различных по конструкции и принципу работы устройствах [1]. Наиболее приемлемыми из них являются роторный и ро-торно-пульсационный эмульсаторы, центробежный дисперсатор, эмульсионная форсунка, струйный смеситель. Для всех подобных устройств характерны сложность и трудоемкость изготовления, значительные затраты электрической энергии на привод вращающихся частей, относительно невысокий срок службы.

Предложенный сотрудниками кафедры теплоэнергетики ОмГУПСа способ подготовки и сжигания водомазутной эмульсии [2] исключает наличие механического устройства для

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.