CC BY
45
Онищенко Олег Анатольевич, доктор технических наук, профессор, кафедра технической эксплуатации флота, Одесская национальная морская академия, Украина, e-mail: olegoni@mail.ru.
Букарос Андрт Юршович, кандидат техшчних наук, старший викладач, кафедра електромехашки, Одеська нащональна академ1я харчових технологш, Украта.
Букарос Валерiя Миколагвна, викладач спецдисциплт, ВГдо-кремлений структурний тдрозды «Училище № 3 Нащонального утверситету «Одеська юридична академiя», Украта.
Онищенко Олег Анатолтович, доктор техшчних наук, профе-сор, кафедра техшчног експлуатацп флоту, Одеська нащональна морська академiя, Украта.
Bucaros Andrey, Odessa National Academy of Food Technologies, Ukraine, e-mail: bucaros@mail.ru.
Bucaros Valeriya, Separate structural unit «School № 3», National University «Odessa Law Academy», Ukraine, e-mail: eralife84@gmail.com. Onishchenko Oleg, Odessa National Maritime Academy, Ukraine, e-mail: olegoni@mail.ru
УДК 621.371:621.311.4 001: 10.15587/2312-8372.2015.47770
Р03Р0БЛЕННЯ Ф1ЗНЧНО1 БАЗН ДЛЯ МАТЕМАТНЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАВАННЯ
Спираючись на фгзику нормального режиму роботи електроенергетичних систем, у статтг пропонуеться новий науково-методичний тдх1д до визначеннярозумтняреактивног потужностг електропередачг до систем електропостачання промислових I доргвнених, до них споживач1в. Доведено, що у якостг гг реактивного розрахункового значення, замгсть амплтудного, необхгдно приймати дтче значення.
Клпчов1 слова: електропостачання, моделювання електропередачг, електроенерггя, активна потужнгсть, реактивна потужнгсть, повна потужнгсть.
Дорошенко 0. I., Романюк 0. В., Борисенко С. 0.
1. Вступ
Як вщомо, передавання електрично! енергп (елект-ропередача) е найбшьш поширеною функщею елект-роенергетично! системи (ЕЕС). Фiзично, ü здшснюють електричш мережi (ЕМ) ще1 системи, як складаються з лшш електропередачi (повиряних i кабельних) та тдстанцш (трансформаторних i розподшьних). Таку сукупшсть, призначену для передачi електроенергп до конкретного приймального пункту називають електропе-редачею, яку можна розглядати окремим об'ектом ЕЕС. При цьому, як вщомо з теоретичних основ електротех-шки (ТОЕ) (наприклад, з [1]) електроенерпя, фiзично, е енерпею електромагштного поля ЕЕС, яке створю-еться одночасною дiею напруги i струму проввдносп струмоведучих частин ще1 системи, на дiелектричне середовище, що оточуе усi такi ii частини.
Очевидно, що електромагнiтним полем називаеться такий стан згаданого дiелектричного середовища, за якого у ньому починають дiяти електричнi сили Кулона i магштш сили Кариолiса. Таким чином, створюеться враження про те, шби, одночасно дiють два види енергп: електрична i магштна.
При цьому, математичний формалiзм, що пануе сьо-годнi в електроенергетицi не дае змоги зрозумии фiзи-ку реального процесу електропередачь Так, наприклад, нормативний документ [2] стверджуе, що споживачевi передаеться електрична енерпя, як товарна продукщя електроенергетично! системи, двох видiв — активна та реактивна. За споживання споживачевi нараховуеться окрема плата. Аналопчний пiдхiд до розумшня реактивно! електроенергп е характерним i для зарубiжжя.
Але, як вщомо з [3, 4], реактивно! енергп як окре-мого виду електрично! енергп, фiзично, не може бути. Тому очевидно, що е актуальним проведення наукових дослвджень, якi можуть тдтвердити, або спростувати думку про те, що реактивна електроенерпя може бути окремим видом енергп, яку можна передавати спожи-вачевi вщ и генераторiв з ЕЕС.
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
Як вщомо з теоретичних основ електротехшки [1], математично, потужшсть будь-яко! частини ЕЕС визна-чаеться теоремою Пойтинга. За синусо!дальних напруги i струму провiдностi п струмоведучих частин та за умови U = E i I = H, п миттеве значення, як значення повно! потужностi визначаеться за формулою, кВА:
s = u ■ i, (1)
де u та i е функщями аргументу at, од.
Шсля вiдомого математичного перетворення створю-еться формула для визначення розрахункового значення повно! потужностi будь-якого електромагштного поля, яку можна вважати його математичною моделлю, кВА:
SP = Um sin at ■ Im sin (rat -j) =
= U • I cos j-U • I cos (2at -j) = P + J • Q, (2)
де Um — амплиудне значення напруги, кВ; Im — амплиуд-не значення струму провщносп, А; U — дiюче значення
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 4/1(24], 2015, © Дорошенко О. I., Романюк О. В.,
Борисенко С. О.
напруги, кВ; I — дшче значення струму провщносп, А; ф — кут зсуву фаз мiж синусощальними напругою i стру-мом провiдностi струмоведучих частин ЕЕС, град.
Як можна бачити, перша складова рiвняння (2) не залежить вщ частоти напруги i струму провщносп струмоведучих частин електропередач! Ii називають активною потужнiстю i позначають лiтерою P, кВт. Друга складова цього рiвняння змшюеться з подвiйною частотою за пе-рiод змiни синусощальних напруги i струму провiдностi струмоведучих частин електропередач^ е ii реактивною потужнiстю i позначаеться лiтерою Q, квар. При цьому, векторний добуток мае свщчити про те, що мiж P та Q iснуе кут зсуву значень ф = +90°.
Аналопчний пiдхiд до математично'i моделi електро-магнiтних полiв елементiв мае мкце i в роботах [5-7].
Таку математичну модель електромагштного поля будь-якого елемента ЕЕС, розроблену в математичному середовишд MATHCAD, наведено на рис. 1.
1 \ Г \ h S \ /:' I з\ / \ /у
i \ \ . / ^
\ / 1 * *-r* 1
О (1.0(1.*. (1.0III »,015 0.020 0.025 С-
Рис. 1. Математична модель електр□передачi
Як можна бачити, мають мiсце TaKi перюди часу за якого повна потужшсть електромaгнiтного поля переходить через нульовi значення i змiнюe напрямок.
Автори статт проaнaлiзувaли для свое! роботи до-слiдження, присвяченi моделюванню енергп електро-мaгнiтного поля ЕЕС [8-11].
3. 06'ект, мета i задач1 дослщження
Об'ект дослгдження — електропередача (сукупшсть електроустановок для передaчi споживачам електрично! енергп), як товарно! продукцп.
Метою даног роботи е розроблення комп'ютерного вaрiaнтa реально-математично! моделi електропередaчi, що вiдповiдaе мaтемaтицi рiвняння (2) i спираеться на реальну фiзику процесу передавання споживачам електрично! енергп. Для цього необхiдно розробити на-уково обгрунтовану методику проведення розрахунюв нормального режиму навантаження електропередач^ що спираеться на фiзику ii функщонування.
4. Результати дослщження процесу електропередавання
Згадану вище модель створено в середовищi MATHCAD за умови дшчого значення напруги U = 8 од. i дiючого
струму провщносп електропередaчi I = 5 од. Результати !! застосування до рiвняння (2), наведено на рис. 1.
Як можна бачити, повна потужшсть електропереда-чi S — це хвиля енергп поляризацп дiелектричного середовища електропередaчi, що бiжить вiд !! початку до кшця (до споживaчiв електроенергп), а реактивна потужшсть Q — амплиуда хвилi потужностi поляризацп згаданого середовища у поперечному напрямку до напрямку електропередача Таким чином, у якосп розрахункового значення реактивно! потужност матема-тична модель електропередaчi, зaмiсть дшчого значення, приймае амплиудне !! значення. За синусо!дального характеру !! змши таке перебiльшення складае величину >/2, що призводить до значного завищення резуль-тaтiв розрaхункiв повного навантаження, кВА:
Sp=yl P2+QP, (3)
де PP — розрахункове значення активно! потужност електропередaчi, кВт;QP — розрахункове значення реактивно! потужност електропередaчi, квар.
Як ввдомо з [3, 8-10], фiзично, дiелектричне се-редовище електропередaчi — це пружина, яка працюе одночасно у двох напрямках, ввдносно до напрямку передавання енергп: уздовж i поперек нього. Вважа-еться, що напруга (за допомогою електрично! емност струмоведучих частин), поляризуючи, стискае його, а струм провiдностi (за допомогою шдуктивносп струмоведучих частин), теж поляризуючи його, розтягуе. При цьому, круговi орбiти його aтомiв набувають форми овалу i у ньому створюються струми провiдностi, як у поздовжньому, так i у поперечному напрямках, ввд-носно напрямку передавання енергп. Таку !х дш де-монструе рис. 2, який свщчить про домiнуючу перевагу струму провщносп i !х iндуктивностi.
-j — —* напруги напруги '
а б
рис. 2. Паляризацш дiелектричн□г□ середовища електр□передачi: а — поздовжня поляризащя; б — поперечна поляризащя
З урахуванням фiзики створення електромагштного поля, математику рiвняння (2), як математичну модель будь-якого елемента ЕЕС, графiчно, можна представити у виглядi рис. 3.
Якщо прийняти до уваги, що поляризоване дiелек-тричне середовище електропередачi це пружина, i те, що енергш справжньоi пружини у розтягненому ii сташ вважають споживленою i позначають знаком плюс (+), то робочими квадрантами електромагштного поля електро-передачi е квадранти 1 та 2.
hoi реш1тки пров1дник1в, поступальному руху в1льних електрошв, яю створюють струм провщносп струмоведучих частин, Ом.
Реактивного опору провщниюв Эх, ф1зично, не i> нуе. Математично, його визначають за формулою, Ом:
Эх = radL,
(4)
де га — кутова частота змши напруги, яка за номшально1 частоти ЕЕС 50 Гц приймаеться на р1вш, 1/с:
га = 2nf = 2 ■ 3,14 ■ 50 = 314.
(5)
Рис. 3. Реально-математична модель електромагштного паля
При цьому, можна бачити:
Не залежно вщ стану поляризованого д1електричного середовища у поздовжньому напрямку електропереда-ч1 (розтягнене чи стиснене) енерпя завжди передаеться споживачам. Це активна складова енергп поля електро-передач1 — P, яка е незмшною i мае розглядатися як д1юча складова його енергiï.
Стан поляризованого дiелектричного середовища у ïï поперечному напрямку може бути розтягну-тим (у бшьшосп випадкiв), або стисненим (у випадку, коли синусощальний струм навантаження електропере-дачi випереджае ïï синусоïдальну напругу.
Уявлення про електромагштне поле електропередач1 пояснюе рис. 4, де показана заступна схема електро-передачi елементарноï довжини, струмоведучi частини я^ реально володiють активним опором струмоведучих частин дг та емшстю дс, яку подiлено, умовно, на двi частини. При цьому, фiзично, це реальна спроможнiсть струмоведучих частин до перюдичного накопичення електричного заряду на ïх поверхнi тд дiею електронiв ïх струму провщност!
Фiзична сутнiсть iснування iндуктивностi струмоведучих частин електропередачi L, в формулi (4), можна пояснити стральною формою руху електронiв струму провщносп провiдникiв (рис. 5).
Рис. 4. Заступна схема елемента реально електр□передачi
Активний опiр струмоведучих частин електропереда-чi дг реально iснуе. Це отр, що створюеться протидiею електрошв, що обертаються у атомiв вузлiв кристалiч-
Рис. 5. Можлива траскт^я руху електрошв струму провщносп
Зважаючи на те, що iндуктивнiсть електропередач1 завжди переважае над 11 емшстю, синусощальний струм провiдностi (струм реального навантаження), завжди, вщстае за фазою вщ 11 синусощально'! напруги. Стутнь такого вщставання можна зменшити, застосувавши в СЕП споживачiв електроенергп пристро1 компенсацп 1х власного реактивного навантаження (ПКРН). У якосп таких при-стро'1в можуть слугувати електроприймачi (ЕП), синусо1-дальний струм провiдностi навантаження яких випереджае за фазою синусощальну напругу на 1х затискачах. Такими ЕП на практищ застосовують синхронт двигуни (СД), конденсаторнi установки (КУ) та статичт компенсато-ри (СТК), як спещальш напiвпровiдниковi перетворювачi.
На рис. 6 наведено векторну дiаграму потужностей електропередач^ що спираеться на реальну фiзику 11 функцiонування, яку представлено вище.
З урахуванням тако1 дiаграми, на рис. 7, а наведено реально-математичну модель реактивного навантажен-ня електропередач^ а на рис. 7, б реально-математичну модель повного 11 навантаження, яю вщповщають мате-матицi рiвняння (2) i спираються на фiзику технологи передавання електроенергп, викладену вище.
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 4/1(24], 2015
рО^гягнення
О Рг. Sm=Pm
Рис. 6. Реальна векторна д1аграма електрапередач1
40,0
20,0
\ s
-20,0
КННр /
квг /;
1 с *
. > Sji ;
" i !
\ \ ; p
; О,TOI ; о,ош'ч*
„ ' 0.Ç1J
t, .420 С
Рис. 7. Реально-математичш модел1 електропередачг а — реактивне навантаження; б — повне навантаження
Зважаючи на економiчний збиток електропостачаль-них оргашзацш (ЕО) вiд реактивного навантаження споживачiв, в нормативному документi [11], що дie в Украïнi накладено обмеження на величину коефщвн-та реактивно! потужност СЕП конкретних спожива-
чiв електроенергп з вимогою tg ф = 0,25 в. о. Але не конкретизовано — це його поточне чи дшче значення.
5. Обговорення результат1в дослщження ф1зики електропередач!
Проведет дослщження свщчать про те, що основну роль при створенш електромагштного поля електро-передачi вiдiграe напруга. Достеменно вщомо — ïï поставляв споживачам електропередача. Якщо прийняти до уваги те, що напруга — наслщок роботи генераторiв ЕЕС, то напругу можна вважати потенцшною формою електроенергп. Разом 3i струмом навантаження спожива-ча, створеним щвю напругою, вiдбувавться поляризацiя дiелектричного середовища електропередач^ внаслiдок чого i створювться електромагнiтне поле, яке перетво-рюв потенцiйну форму електроенергп у кшетичну, яка може виконувати корисну роботу.
Для цього напруга стискав електрично пружне дiелект-ричне середовище електропередачi, а струм навантаження його розтягув. При цьому створювться хвиля енергп поляризацп, що бiжить вщ початку електропередачi до ïï кшця. Тому енерпю електропередачi можна, умовно, розкладати у двох напрямках, вщносно до напрямку електропередавання: поздовжня складова (активна енер-пя) передавться споживачам i споживавться (виконув корисну роботу); поперечна складова (реактивна енер-гш) — це внутрiшня енергiя електропередачь Двiчi, за перiод змiни напруги, вона коливавться вiд нуля до максимуму, перюдично збiльшуючи струм електропередач! При цьому збiльшуються активш втрати електропередачi, зменшувться ïï пропускна спроможшсть i суттвво змь нювться рiвень напруги ïï кiнця.
Математична модель електропередачi у якостi роз-рахункового значення реально неiснуючоï реактивно'1 електроенергiï сприймав ïï амплiтудне значення, що суттвво впливав на розрахунки, пов'язат з визначенням еко-номiчностi електропередавання. Очевидно, що реально, впливав на таю розрахунки дшче значення реактивного навантаження споживачiв, яке повинно бути узаконене в нормативних документах на державному рiвнi.
Реально-математичне моделювання електропередачi в продовженням науковоï роботи авторiв i мав бути продовженим у напрямку його удосконалення для визна-чення реальноï вартостi електроенергiï для ïï споживачiв у залежностi вщ принциповоï схеми ïх привднання до системних електричних мереж з номшальною напругою 110 кВ, як вважаються прилавком енергоринку Украïни.
Б. Висновки
1. Математична модель електропередачi у якост розрахункового значення ïï реактивноï потужностi ро-зумiв ïï амплиудне значення QP, квар.
2. Спираючись на фiзику реального процесу електропередавання у якосп розрахункового реактивного навантаження електропередачi необхщно приймати дiюче значення ïï реактивного навантаження, яке становить величину 2рд = Qp/V2, квар.
3. В нормативних документах Украши, що регламен-тують потужнiсть реактивного навантаження електро-передачi, наголосити на тому, що директивне значення коефщвнта ïï реактивноï потужностi tg фд = 0,25 — це його дшче значення, в. о.
а
б
Лггература
1. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники [Текст]: учеб. / Л. А. Бессонов. — 6-е. изд. — М.: Высш. школа, 1973. — 752 с.
2. СОУ-Н МПЕ 40.1.20.510.:2006. Методика визначення еко-ном1чно дощльних обсяпв компенсацй реактивно! енерги, яка перетжае м1ж електричними мережами електропереда-вально! оргашзаци та споживача (основного споживача та субспоживача) [Текст]. — Ки1в, 2006. — 48 с.
3. Ландау Л. Д. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика [Текст] / Л. Д. Ландау А. И. Ахиезер, Е. М. Лиф-шиц. — М.: Наука; Главная редакция физико-математической литературы, 1969. — 399 с.
4. Дорошенко, О. I. Щодо питання сутносп реактивно1 електро-енерги [Текст] / О. I. Дорошенко // Енергетика та елект-рифкащя. — 2007. — № 6. — С. 65-68.
5. Ионкин, П. А. Теоретические основы электротехники, Основы теории линейных цепей [Текст] / П. А. Ионкин. — М.: Высшая школа, 1976. — Т. 1. — 544 с.
6. Чабан, В. Й. Математичне моделювання електромагштних нроцеав [Текст] / В. Й. Чабан. — К.: НМК ВО, 1992. — 390 с.
7. Кириленко, О. В. Математичне моделювання в електроенер-гетищ [Текст]: шдручник / О. В. Кириленко, М. С. Сегеда, О. Ф. Буткевич, Т. А. Мазур. — Льв1в: Видавництво Национального ушверситету «Льв1вська полгтехшка», 2010. — 608 с.
8. Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы [Текст]: учеб. / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, В. М. Тареев. — Л.: Энергоатомиздат.,1985. — 7-е изд. — 304 с.
9. Дорошенко, О. I. Про ф1зику електромагштного поля електро-енергетично1 системи [Текст] / О. I. Дорошенко // Матер1али XI М1жнародно1 науково-техшчно1 конференцп «Ф1зичш процеси та поля техшчних I бюлопчних об'екпв, Кременчук, 2-4 листопада 2012 р. — С. 33-35.
10. Дорошенко, О. I. Про математику I ф1зику електропереда-ч1 [Текст] / О. I. Дорошенко // Матер1али X М1жнародно1 науково-практично1 штернет-конференци «Новини науково1 думки», 22-30 жовтня 2014 р., Прага. — С. 15-22.
11. Методика визначення нерацюнального (неефективного) ви-користання паливно-енергетичних ресурав [Текст] / Нацю-нальне агентство Украши з питань забезпечення ефективного використання енергетичних ресурав. — Ки1в, 2009. — 117 с.
РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОЙ БАЗЫ ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Опираясь на физику нормального режима работы электроэнергетических систем, в статье предлагается новый научно-методический подход к определению понятия реактивной мощности электропередачи до систем электроснабжения промышленных и приравненных к ним потребителей. Доказано, что в качестве ее реактивного расчетного значения, вместо амплитудного, необходимо принимать действующее значение.
Ключевые слова: электроснабжение, моделирование электропередачи, электроэнергия, активная электроэнергия, реактивная электроэнергия, полная электроэнергия.
Дорошенко Олександр 1ванович, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра електропостачання та енергоменеджменту, Одеський нащональний полтехтчний утверситет, Украгна, е-mail: dai1938@yandex.ua.
Романюк Олена Вiкторiвна, кафедра електропостачання та енергоменеджменту, Одеський нащональний полтехтчний утверситет, Украта, e-mail: romanjukhelen@mail.ru. Борисенко Свтлана Олександрiвна, керiвник проектног групи, ВТВ ПАТ«Одесаобленерго», Одеса, Украгна, е-mail:sab1975@list.ru.
Дорошенко Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент, кафедра электроснабжения и энергоменеджмента, Одесский национальный политехнический университет, Украина. Романюк Елена Викторовна, кафедра электроснабжения и энергоменеджмента, Одесский национальный политехнический университет, Украина.
Борисенко Светлана Александровна, руководитель проектной группы, ПТО ЗАО «Одессаоблэнерго», Одесса, Украина.
Doroshenko Oleksandr, Odessa National Polytechnic University, Ukraine, e-mail: dai1938@yandex.ua.
Romaniuk Elena, Odessa National Polytechnic University, Ukraine, e-mail: romanjukhelen@mail.ru.
Borisenko Svitlana, VET CJSC «Odesaoblenergo», Odessa, Ukraine, e-mail: sab1975@list.ru
УДК 621.6
DOI: 10.15587/2312-8372.2015.47783
Иванов В. Б. Ситас В. И., Рихтер М.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ГИДРОМУФТ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
В статье рассмотрены вопросы эффективности применения регулируемых гидродинамических приводов для управления производительностью центробежных насосных агрегатов. Приведены примеры расчетов экономии электроэнергии для насосов различной мощности. Проанализированы факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на сроки окупаемости при внедрении данной технологии.
Ключевые слова: гидродинамический регулируемый привод, гидромуфта, центробежный насос, энергоэффективность, дроссельное регулирование, потребляемая мощность.
1. Введение
Центробежные насосы являются одним из наиболее энергоемких видов оборудования, широко представленным в промышленности, энергетике, коммунальном
хозяйстве. Регулирование производительности центробежных насосных агрегатов имеет огромный потенциал экономии электроэнергии. По данным Европейской ассоциации производителей насосного оборудования возможное снижение энергопотребления за счет регулирования
TECHN0L0GY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 4/1(24], 2015, © Иванов В. Б., Ситас В. И., Рихтер М.
55
J
