Моделирование критических режимов работы узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой при исследовании статической устойчивости на промышленной частоте Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

5. Розанов, Ю. К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчинский, А. А. Кваснюк. — М. : Издательский дом МЭИ, 2007. — 632 с.

ЛЮТАРЕВИЧ Александр Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий», декан энергетического института.

ДОЛИНГЕР Станислав Юрьевич, аспирант, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ХАЦЕВСКИЙ Константин Владимирович, доктор технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 14.11.2012 г.

© А. Г. Лютаревич, В. Н. Горюнов, С. Ю. Долингер,

К. В. Хацевский

УДК 621.316

А. А. ПЛАНКОВ Д. С. ОСИПОВ В. А. ПЛАНКОВА В. Л. ЮША

Омский государственный технический университет

Омский филиал Института математики им. Соболева

СО РАН

МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АСИНХРОННОЙ НАГРУЗКОЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЕ____________________________________

В данной статье говорится о создании алгоритма исследования статической устойчивости узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой. Асинхронный двигатель представлен Т-образной схемой замещения, что позволяет более точно определять параметры двигателя.

Также в статье говорится о разработке современного программного комплекса для расчета значений параметров критических режимов в узле нагрузки. Ключевые слова: критерии устойчивости, статическая устойчивость, асинхронная нагрузка, критическое напряжение.

Статья опубликована при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

В связи с актуальностью задачи анализа статической устойчивости узла электроэнергетической системы с асинхронной нагрузкой [1, 2] важное значение приобретает этап определения параметров схемы замещения асинхронного двигателя (АД). Несмотря на то что для определения параметров АД целесообразно использовать Т-образную схему замещения (рис. 1) [1 — 3], в инженерных расчетах используют Г-образную или упрощенную Г-образную схему замещения.

В настоящее время большинство программных продуктов при возможности использования мощных ЭВМ разрабатываются для упрощенных схем

замещения АД, что вносит дополнительную погрешность при моделировании аварийных режимов и определении значения критического напряжения [3, 4]. Поэтому задача создания современного программного комплекса, позволяющего выполнять компьютерное моделирование аварийных режимов электроэнергетических систем с целью анализа статической устойчивости узлов с асинхронной нагрузкой, является актуальной и необходимой для современных промышленных предприятий.

Анализ литературы позволил составить алгоритм оценки статической устойчивости узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой (рис. 2).

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

XI

Р1,01

а

т

Х2'

Ud

Рц,Оц

Хц

Р2,02

К2'/в

Ь

Рис. 1. Т-образная схема замещения АД

Рис. 2. Упрощенная схема алгоритма оценки статической устойчивости узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой

Согласно составленному алгоритму, получена математическая модель, позволяющая выполнять компьютерное моделирование аварийных режимов электроэнергетических систем с целью анализа статической устойчивости узлов с асинхронной нагрузкой.

1. Ввод исходных данных.

Номинальное напряжение, В: ином;

Номинальная мощность, Вт: РНОМ;

Номинальная частота вращения, об/мин: пНОМ;

Номинальное скольжение, о.е.: sНОМ;

Номинальный коэффициент мощности, о.е.: cosф;

Кратность максимального момента, о.е.: Ьм;

Кратность пускового момента, о.е.: ЬП;

Кратность пускового тока, о.е.: кП;

Номинальный КПД, о.е.: п;

Исходные данные момента сопротивления механизма (нагрузки);

Начальный момент трения ^=1), о.е.: тТР; Коэффициент загрузки двигателя, о.е.: кЗ; Показатель степени, характеризующий механизм, о.е.: у.

2. Расчет параметров схемы замещения АД. Базисное напряжение, В:

и6=ииом.

Номинальное напряжение, о.е.:

и

и.

ном*

ном

и*

Механические потери, Вт:

ЛР.„ =0,01\Рнга г

МЕХ НОМ

(1)

Коэффициент приведения цепи ротора:

с1=1,03. (3)

Критическое скольжение:

%Р = ^НОМ (4)

Номинальный ток двигателя, А:

- Рном

ном

л/з • иномЛ со® Ф

(5)

Полное сопротивление двигателя при неподвижном роторе, Ом:

и

НОМ

>/3 ' ІНОМкп

(6)

и,

-йНОМ ~

НОМ

л/з I,

Индуктивное сопротивление системы, Ом:

Активное сопротивление статора, Ом:

(7)

(8)

и ном' 1_5ном)

2 • С1 (Рном + ЬР'мех У^м Ґ \ ЗЙОМАМ +д/ьм

(9)

г£ _ Ьп (Рном + &РМЕХ ) 3 • (і - 5ном )іп^ном

(11)

Суммарное индуктивное сопротивление рассеяния двигателя при s=1 (если пренебречь намагничивающим током), Ом:

хзі=У2аі

і-(гі+г2ії

(12)

Суммарное индуктивное сопротивление рассеяния двигателя при s = 0 (если пренебречь намагничивающим током), Ом:

и НОМ (і ~ ^ном)

(13)

2' С1 (Рном + ЬРМЕХ У3 М

Индуктивное сопротивление статора, Ом:

4,47-х51-х5 0 (14)

*1=-

3,47

г2п _ г20 +(г21 “ г20 Х/^НОМ

(15)

Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния ротора при s=1, Ом:

(16)

Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния ротора при sНОМ, Ом:

х2п:

*21

4^ ном

Полное сопротивление статора, Ом:

I = т[г

г\ =-\1г1 + Х1

Полное сопротивление ротора, Ом:

Полное сопротивление двигателя в номинальном режиме, Ом:

г =

1 $НОМ ^ном

(17)

(18)

(19)

Полное сопротивление ветви намагничивания,

Ом:

_ 2і (2аном ~ 2\) 2\ +22 ~ 2аном

(20)

Индуктивное сопротивление ветви намагничивания, Ом:

х =z . (21)

Полное сопротивление ротора и ветви намагничивания, Ом:

222\1

Приведенное активное сопротивление ротора при s = 0, Ом:

Г’20=Г1. (10)

Приведенное активное сопротивление ротора при s=1, Ом:

2аЬ :

Ток в ветви статора, А:

11 1НОМ'

(22)

(23)

Напряжение ротора и ветви намагничивания, В:

иьЬ = 1^ (24)

Ток в ветви ротора, А:

!■> =

ЕаЬ_

22

Ток в ветви намагничивания, А: I _^оЬ

Iі ,

(25)

(26)

Полное сопротивление двигателя при холостом ходе (в = 0), Ом:

г<10 ~

и

ном л/з •/„

(27)

Приведенное активное сопротивление ротора при sном, Ом:

Реактивная мощность в ветви статора, Вар:

0\ = /? г! (28)

Реактивная мощность в ветви ротора, Вар:

02 = /2 х 2 п (29)

Х 21 в! Х1‘

Х = 2л

с оном

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

176

Таблица 1

У 0 2

т т, о.е. 0,9 0,88 0,85

д, % 0 2,59 5,02

симальная погрешность составляет ориентировочно 5 % (табл. 1).

5. Определение мощности, потребляемой ветвью намагничивания при снижении напряжения, о.е.

О,

ц

(35)

Реактивная мощность в ветви намагничивания, Вар:

(30)

О = 12 г

Оц 1цгц

3. Построение механических характеристик АД и нагрузки.

4 =

Г1ЯКР

Т7С1

(31)

Механическая характеристика асинхронного двигателя при снижении напряжения, о.е.:

та =

(2 + ?)Ь

'М

VI

5 &КР БКР в

Уном-

(32)

Механическая характеристика момента сопротивления нагрузки, о.е.:

т =т +(к — т )(1^)т.

т тр ' з тр' ' '

(33)

4. Определение скольжения при снижении напряжения.

Скольжение определяется из условия равенства механических характеристик двигателя и момента сопротивления нагрузки:

(34)

При этом показатель степени, характеризующий механизм, у = 0, т.е. нагрузка постоянна. При значениях скольжения от номинального до критического такое допущение возможно, т.к. возникающая мак-

6. Определение активной мощности, потребляемой двигателем, о.е.

п _и2НОМ* • Гвв

ри =— —

Г, +(^)

(36)

7. Определение реактивной мощности, потребляемой сопротивлением рассеяния, о.е.

Оs = ри • -

вйКР

(37)

8. Определение активной мощности, потребляемой двигателем, о.е.

Ои=Ом.+ °

(38)

9. Определение Э.Д.С. генератора при снижении напряжения, о.е.

Е = к+°Н 2 + (РихсЛ

V 1 и* ) 1 иа

(39)

10. Определение параметров критического режима работы АД.

Критическое скольжение АД:

влкр :

*2*

Критическое напряжение АД, о.е.: иакр* =^2рном* •х2*

(40)

(41)

в

$ Исоїедозаниг устсйчибости узла электроэнергешческсй системы с асинхронной нагрузкой^^|

Данные Расчет • --V Справка Выход

Ввод исходных данных

Паспортные данные асинхронного двигателя Исходные данные момента сопротивления механизма (нагрузки)

Номинальное напряжение, В 380

Номинальная мощность.. Вт 160000

Номинальная частота вращения, об. мин 985 Начальный момент трения (5=1), о.е. |0.5

Номинальное скольжение: о.е. 0,014 Коэффициент загрузки двигателя, о.е. |И.9

Номинальный коэффициент мощности, о.е. 0,9 Показатель характеризующий механизм, о.е. |і

Кратность максимального момента, о.е. 1,4

Кратность пускового момента, о.е. 2,2

Кратность пускового тока. о.е. 7

Номинальный КПД, о.е. 0,935

Закрыть

Рис. 3. Ввод исходных данных

Расчет - Справка Выход

Параметры схемы замещения асинхронного двигателя

Базисное напряжение и5 Номинальное напряжение Оном Механические потери мощности ДРмвс Коэффициент преобразования

Критическое скольжение 5КР Номинальный ток двигателя 1ком Ток намагничивающей цепи 1^ Полное сопротивление двигателя при пуске (з = 1) Полное сопротивление двигателя в номинальном режиме Полное сопротивление двигателя на холостом ходу (я = О) гло Активное сопротивление статора г1 Приведенное активное сопротивление фазы ротора (при 5—1) г21

Суммарное индуктивное сопротивление рассеяния двигателя (при б — 1) х51

Суммарное индуктивное сопротивление рассеяния двигателя (при 5—0) Индуктивное сопротивление статора Приведенное активное сопротивление фазы ротора (при зН0М) Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния ротора (при 5=1) Приведенное индуктивное сопротивления рассеяния ротора (при зно„) Индуктивное сопротивление цепи намагничивания Полное сопротивление цепи статора Полное сопротивление цепи ротора Полное сопротивление цепи намагничивания

Х50

» 380 В

= І 0-Є.

= 1600 Вт = 1,03 о.е = 0,058 о.е.

= 288,882 А = 54,870 А = 0,108 Ом = 0.759 Ом = 3,998 Ом = 0,010 Ом = 0,018 Ом ■0.104 Ом ■ 0,184 Ом = 0,081 Ом = 0,011 Ом = 0,022 Ом = 0,193 Ом = 3,565 Ом * 0,082 Ом = 0,835 Ом = 3,565 Ом

Хр

Закрыть

Рис. 4. Расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя

Рис. 5. Исследование статической устойчивости

Критическое напряжение АД,В:

иакр иакр' ином.

(42)

Вышеуказанные алгоритм и математическая модель были реализованы в программном комплексе (рис. 3 — 5).

Конструкция АД предполагает наличие высших гармоник в цепи статора. Кроме того, в системах электроснабжения присутствуют подключенные к общей секции шин электроприемники нелинейной вольт-амперной характеристикой, которые являются источниками высших гармоник тока и в меньшей степени напряжения.

Из курса ТОЭ известно, что при увеличении частоты пропорционально увеличивается индуктив-

ное сопротивление. Ошибка в определении индуктивности рассеяния статора в 1 % повлечет за собой пятипроцентную ошибку на частоте 250 Гц.

В случае системы бесконечной мощности (сопротивление системы равно нулю) значение критического напряжения, как показали расчеты, не зависит от точности определения параметров схемы замещения АД.

Если рассмотреть узел нагрузки системы электроснабжения, где мощность системы соизмерима с мощностью нагрузки, то неточность в определении параметров схемы замещения АД приведет к погрешности в определении падений напряжений на элементах системы (критерий Жданова).

Широко встречающийся в литературе способ задания АД упрощенной Г-образной схемой заме-

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

щения [5 — 8] вызовет погрешность в определении перетоков реактивной мощности, что при учете высших гармоник приведет к погрешности в определении значения критического напряжения.

Библиографический список

1. Влияние электроприемников, искажающих синусоидальность формы кривой напряжения и тока, на значение критического напряжения при оценке устойчивости узла с асинхронной нагрузкой / А. А. Планков, Д. С. Осипов, А. В. Бубнов, С. Ю. Долингер // Омский научный вестник. — 2011. — № 3(103). - С. 225-228.

2. Планков, А. А. Необходимость уточнения критерия оценки устойчивости узла с асинхронной нагрузкой / А. А. Планков, Я. Ю. Логунова, С. В. Никулина // Современные технологии и управление в энергетике и промышленности : сб. науч. тр. — Омск, 2012. — С. 184- 190.

3. Планков, А. А. Обоснование выбора Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя при оценке устойчивости узлов систем электроснабжения с асинхронной нагрузкой / А. А. Планков, Е. В. Смолина, Я. Ю. Логунова // Современные инновации в науке и технике : Материалы II междунар. науч.-практ. конф. — Курск, 2012. — С. 144—151.

4. Копылов, И. П. Электрические машины : учеб. для вузов / И. П. Копылов. — М. : Высш. шк. : Логос, 2000. — 607 с.

5. Винокуров, М. Р. Повышение точности расчета вращающего момента асинхронного двигателя с учетом поверхностного эффекта в стержнях ротора / М. Р. Винокуров, А. А. Мо-исеенко, Н. Ю. Масловцева // Вестник ДГТУ. — Днепродзержинск, 2011. — № 5(56). С. 86 — 90.

6. Веников, В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах / В. А. Веников. — М. : Высш. школа, 1978. — 415 с.

7. Вольдек, А. И. Электрические машины. Машины переменного тока / А. И. Вольдек, В. В. Попов. — Л. : Изд-во Питер, 2008. — 350 с.

8. Иванов-Смоленский, А. В. Электрические машины : учеб. для вузов. В 2 т. Т. 1 / А. В. Иванов-Смоленский. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Изд-во МЭИ, 2004. — 656 с.

ПЛАНКОВ Александр Анатольевич, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

ОСИПОВ Дмитрий Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ.

ПЛАНКОВА Валентина Александровна, старший научный сотрудник Омского филиала Института математики им. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук.

ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника» ОмГТУ.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 23.10.2012 г.

© А. А. Планков, Д. С. Осипов, В. А. Планкова, В. Л. Юша

УДК 62і.3іі.і.оі8-3 С. С. СИРОМАХА

А. А. БУБЕНЧИКОВ

Омский государственный технический университет

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗ

В статье изложены проблемы определения параметров качества электрической энергии, сравнение традиционных и вейвлет-методов анализа сигналов тока и напряжения.

Ключевые слова: вейвлет-анализ, преобразование Фурье, качество электрической энергии, высшие гармоники.

Статья опубликована при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

Проблемы электромагнитной совместимости относят к важнейшим проблемам в энергетике на сегодняшний момент. Энергетика в России и «за-рубежом» находятся на разных ступенях развития. Вследствие развития технического прогресса в области приборостроения и применения сложнейшего электропотребляющего оборудования в различных сферах жизнедеятельности человека предъявляют

более жесткие требования к качеству электрической (КЭ) энергии. До недавнего времени нормирование параметров КЭ осуществлялось в соответствии ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [1], который определяет 11 показателей качества электрической энергии. Каждый из этих показателей характеризует какое-либо свойство