CC BY
17
устранения контура обмена реактивной энергии индуктивной нагрузки и электрической сети переменного тока достигается эффект автоматической стабилизации входного коэффициента мощности на уровне, близком к единице, при изменении характера и величины нагрузки в широких пределах вообще без силовых компенсирующих конденсаторов.
N. Frozinov, T. Chernova
Indemnification reactive power in the asynchronous electric drive
It is shown that the asynchronous engine (АЭМ) - is most widespread kind of the electric machines consuming now about 40 % of all produced electric power. Necessity of creation АЭМ with high power characteristics (with high power factor, small losses, etc.) is revealed that will lead to considerable savings of electric energy and improvement of quality of an electrical supply.
Keywords: power efficiency, reactive power, circulation of reactive current, power factor HEA.
Получено 06.07.10
УДК 621.31
В.М. Степанов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-54-50, eists@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Ю.И. Горелов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, gor tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОНСТРУКТИВНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Рассмотрены вопросы определения уровня и показателей конструктивной надежности в системах электроснабжения с учетом влияния высших гармоник, генерируемых нелинейными элементами системы управления автоматизированного электропривода.
Ключевые слова: система электроснабжения, высшие гармоники, система управления автоматизированным электроприводом, теория надежности.
Для современных систем электроснабжения автоматизированного электропривода характерным является факт наличия высших гармоник в сетевом токе. Этот факт обусловлен использованием в современных системах электропривода импульсных элементов - силовых тиристоров и транзисторов, которые являются существенно нелинейными элементами.
Конструктивные элементы силового трансформатора, входящего в систему электроснабжения автоматизированного электропривода, в частности его обмотки, работают в условиях постоянно изменяющейся, пере-
менной нагрузки, и разрушение изоляции и деформация их обмоток происходят при равенстве пропущенной мощности, необходимой для разрушения, Ан
Ан = % ДА,
где кN - наибольшее время перегрузки трансформатора; ДА - номинальная паспортная нагрузка трансформатора.
Вероятность безотказной работы зависит от величины остаточного запаса прочности обмоток Аоз , который еще может выдержать эксплуатацию нагрузками, т.е.
АОЗ = Ан - кКДА
р (м)
поэтому имеем
Ан Ан кП кн ДА < Ан,
Е?. ^Л = ПЕд
где Ан = ; ДА = я-д-, кп - коэффициент перегрузки, учитываю-
Е Е
щий изменение нагрузки от номинальной; Е - модуль деформации; Ед -
действующая на элементы трансформатора нагрузка.
Е < ктк0Ен
Ед <—;-,
кП
кт - коэффициент условий работы, учитывающий изменение нагрузки; к0 - коэффициент однородности конструкционных материалов обмотки, учитывающий изменение их механических свойств; Ен - электродинамическое усилие, действующее на элементы обмоток трансформатора в номинальных условиях, которая может определена по закону Био-Савара в дифференциальной форме:
дРн =
В х J
где dЕн - вектор силы, действующей на элемент проводника объемом дх,
находящийся в поле с индукцией В при плотности тока J.
Векторное произведение в правой части равенства показывает, что сила перпендикулярна направлению индукции и направлению плотности тока. Объединяя зависимости получим
кП Е 2 < Е 2
Ед < Ен,
к 2 к2 т 0
где коэффициент надежности (запаса) по конструкционному материалу
К = кП я к = Едн
Кн = 2 2 , а кП =-
кт ко тЕд
где Е^н - наибольшее значение электродинамического усилия; Шрд - математическое ожидание случайных величин эдектродинамических усилий, равное средней величине *дсср,
кт —1 — Рук (^) • Принимая во внимание, что
кЫн —
я
ИМ
с учетом Аи имеем
А П*™ т Жтрд К - АИнб
АИнб --, тАИ --, КИ --
яИМЕ И яИМЕ тАИ
Тогда из зависимости для Ки получим
к0-
\
КИкт
1 3 кП
Установлено, что случайная величина действующей нагрузки на элементы обмоток трансформатора может подчиняться нормальному закону распределения или закону распределения Вейлбула - закону Релея.
Для законов распределения случайных нагрузок имеем
РИМ (*И > т¥д )-1 - ЧИМ, на основании чего в общем случае
*И - КИЕдн8 •
Условием реализуемости надежности в этом случае является неравенство
кП * 2 < * 2
к 2 к2 ктк0
Из диаграммы нагружения по Аи и кр, и Ки выбирается тип трансформаторов в смысле электродинамической стойкости для электротехнического комплекса «электропитающая система - силовые трансформаторы».
Поскольку к^н получается путем периодической нагрузки с частотой /н, то срок службы ^ получим из равенства
'Аин3ЕЛ
1п Едн5 - ^1п
2 V п
а решение относительно ^ с учетом
и , 1
~1п *ИМ, /и
2 Чш
П*дн$ -с АНн5Е
получим в виде
tHM
tN
qHM
Эти зависимости устанавливают условия реализуемости надежности элементов силового трансформатора, определяемые свойствами и условиями работы его конструкционных материалов.
Условие реализуемости надежности элементов трансформатора, определяемое соответствием их параметров условиям эксплуатации
рутТ (t )< qнм,
тогда
% ^ <
—2— < .
71
OH
Исходя из прежних неравенств, функциональные параметры элементов трансформатора определяются на основе их соответствия условиям эксплуатации и обеспечения требуемой величины ^н
_1
kyCcqC:k
qHM~
ky+1
н
\ у
где Cc - затраты на обеспечение надежности элементов трансформатора; Cyд - допустимые затраты (потери-ущерб) от отказа элементов электротехнического комплекса «электропитающая система - силовые трансфор-маторы»трансформатора;
СУдН = СдпН ^П ,
где СдпН - допустимые затраты в единицу времени от отказа элементов трансформатора,
СдП
= СдПС Н кУ
Логарифмируя и решая уравнение относительно СудН, получим
с = kyccqCkУ СудН = ку+Г,
qHM
тогда
С
1дн =
'удн
дпн
Сдп
Отсюда определяются значения Tнм по кТИны, Pнм (V) и
VHM (tдп ).
Анализ зависимостей показателей надежности qHM и ^п от коэффициента технического уровня ky, а также Tohm от qHM, показывает, что
tdn = fl (ky ) и qHV = f3 (ky ) являются монотонно убывающими функциями, а qHM = (Tohm ) является вогнутой функцией. Отсюда следует вывод о том, что для показателей конструктивной и функциональной надежности силового трансформатора существуют точки, оптимальные в смысле Парето, поиск которых может быть осуществлен для каждого конкретного случая генетическими алгоритмами многокритериальной оптимизации.
V. Stepanov, Y. Gorelov
Determination of level and indexes of structural and funcnional reliability for automatic electric drive power systems
The problems of determining the level and indexes of structural and functional reliability for automatic electric drive power systems taking into account the influence high harmonics are considered.
Keywords: power systems, power system harmonics, theory of reliability, electric drive control system.
Получено 06.07.10
УДК 621.31
В.М. Степанов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-54-50, eists@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Ю.И. Горелов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, gor tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Рассмотрены вопросы влияния явления гистерезиса и поверхностного эффекта на уровень потерь элетроэнергии в системах электроснабжения с учетом влияния высших гармоник, генерируемых нелинейными элементами систем управления автоматизированного электропривода.
Ключевые слова: система электроснабжения, высшие гармоники, система управления автоматизированным электроприводом, потери электроэнергии.
Для современных систем электроснабжения автоматизированного электропривода характерным является факт наличия высших гармоник в сетевом токе. Этот факт обусловлен использованием в современных системах электропривода импульсных элементов - силовых тиристоров и транзисторов, которые являются существенно нелинейными элементами.
