CC BY
9ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ
ХОЗЯЙСТВЕ
УДК 621.31.002.56.001.5:621.31.004.12
СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
М.В. Бородин, В. Буга, А.Э. Дугин, Н.В. Махиянова
ФГБОУ ВО Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина
Аннотация. Представлена актуальность исследования влияния электрооборудования на показатели качества электроэнергии. Разработанный стенд для изучения влияния электрооборудования на показатели качества электроэнергии помогает на практике определить, как некачественная электроэнергия влияет на электроприёмники, а так же как сами электроприёмники влияют на качество электроэнергии. При этом на стенде можно практически определить точку, где лучше расположить устройства, предназначенные для повышения качества электроэнергии. Функционал стенда позволяет имитировать режимы работы различных электроприемников, что, в свою очередь, позволяет более точно изучить на практике изменение показателей качества электроэнергии в электрической сети и его влияние на электрооборудование. В статье представлена электрическая схема стенда для изучения влияния электрооборудования на показатели качества электроэнергии, а так же представлены результаты испытания разработанного стенда.
Ключевые слова: стенд, качество электроэнергии, измерение.
Введение. В трудах российских и зарубежных авторов, посвященных качеству электроэнергии (КЭ) говорится о том, что некачественная электроэнергия оказывает значительное влияние на различное электрооборудование. При этом в трудах авторов [1-4] отмечается, что искажение КЭ приводит к снижению срока службы различного оборудования, к сбоям в работе автоматизированных систем и т.д. Поэтому вопрос исследования влияния КЭ на электрооборудование и его повышение всегда является актуальным.
Во многих трудах учёных представлены причины выхода показателей качества электроэнергии (ПКЭ) за нормативные значения, но не все причины и последствия были получены на практике. При этом производится большое количество нового оборудования, которое не исследовалось на КЭ. То есть, не ясно как новое оборудование влияет на искажение ПКЭ, которые указаны в [5], и как ПКЭ влияют на оборудование.
Авторами [6-8] представлены стенды, которые позволяют произвести различные исследования влияния КЭ на электрооборудование и электрооборудования на КЭ, но функционал представленных стендов не позволяет определить влияния электрооборудования на электрическую сеть при различных режимах работы, проводить испытания способов и устройств, позволяющих стабилизировать ПКЭ и т.д.
В настоящее время в России и других странах представлено множество устройств, которые позволяют повышать КЭ. При этом они обладают разными техническими
Агротехника и энергообеспечение. - 2021. - № 3 (32)
характеристиками, и поэтому не понятно, как и в каком случае, они будут эффективно работать. Так же на рынке специализированных устройств отсутствуют стенды, которые могли бы использоваться для исследования устройств, позволяющих повышать КЭ.
В связи с вышеперечисленным, актуальной задачей является разработка стенда, на котором можно было бы проводить исследования влияния некачественной электроэнергии на электроприёмники при различных режимах работы электрооборудования и эффективности использования устройств, которые позволяют снизить искажения ПКЭ, а так же изучить влияние электроприёмников на КЭ.
Основная часть. Одним из главных этапов в начале разработки стенда является разработка принципиальной электрической схемы. Данная схема позволяет понять принцип работы стенда, а так же ускоряет процесс монтажа и соединения всех её элементов при сборке стенда. Принципиальная электрическая схема, разработанного стенда, представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема стенда для изучения влияния электрооборудования на показатели качества электроэнергии: QA1 - устройство защитного
отключения; АТ1-АТ3 - лабораторный автотрансформатор; КМ1 - электромагнитный контактор; ТТ1-ТТ10 - трансформатор тока; 8В1-БВ2 - выключатель кнопочный; 8А1-БА2 -выключатель клавишный; БЬ1-БЬ30 - светодиодная лампа; QF1-QF6 - автоматический выключатель; М1 - асинхронный электродвигатель; ХБЬХБб - розетка.
На основании разработанной принципиальной схемой был собран стенд. Внешний вид стенда представлен на рисунке 2.
Рисунок 2- Внешний вид разработанного стенда
Одним из сложных элементов стенда является каркас электродвигателя с возможностью имитации нагрузки. Данный каркас был выполнен из профильной трубы 40х40х1,5 мм. В качестве нагрузки используется ступица с тормозным диском и суппортом от автомобиля ВАЗ 2109. Цилиндр суппорта соединен стальной трубкой с цилиндром сцепления от автомобиля ВАЗ 2106, к которому через шланг присоединен бачок с тормозной жидкостью. Давление на данный цилиндр оказывает тяга, соединенная с рукоятью ручного тормоза от указанного автомобиля. С целью размещения этих четырех элементов (цилиндр сцепления, бачок, тяга, рукоять ручного тормоза) был изготовлен специальный каркас из листовой стали толщиной 2 мм. Таким образом, посредством воздействия на рукоять ручного тормоза можно ступенчато нагружать электродвигатель и фиксировать нагруженное состояние. Для соединения вала двигателя со ступицей был применен ряд элементов, а именно:
- шарнир равных угловых скоростей от автомобиля ВАЗ 2109;
- часть привода автомобиля ВАЗ 2109;
- кардан рулевого вала автомобиля ВАЗ 2106;
- специально изготовленная насадка на вал двигателя для перехода на кардан.
Для имитации искажения напряжения по фазам были применены три лабораторных автотрансформатора мощностью 5 кВА, соединенные по схеме «звезда».
Все автоматические выключатели были размещены в боксе для наружной установки на 12 модулей, так же в данном боксе имеется нулевая шина под ЭШ-рейку.
Для удобства прокладки проводников к элементам стенда были применены кабель-каналы 40х16 мм, установленные по краю перекатной тележки. Прокладка же проводов к электродвигателю была выполнена с помощью гофры диаметром 16 мм с фиксирующими клипсами.
Контактор электродвигателя и его кнопка управления были установлены рядом с боксом для автоматов, провода к данным элементам проложены открыто, в виду малых
расстояний от бокса.
Для возможности подключения к стенду различных нагрузок были установлены 6 каучуковых розеток (по 2 на каждую фазу). При этом разработанный авторами [8] стенд был подключен через розетки, и он является неотъемлемой частью разработанного стенда.
Разработанный стенд направлен на реализацию следующих основных функций:
- создание искажения напряжения по фазам;
- создание уровня напряжения ниже или выше нормированного значения для нагрузки отдельно подключенной к любой из трех фаз;
- оценка влияния ПКЭ на электродвигатель в момент пуска, в режиме холостого хода, а так же при различной степени нагрузки двигателя;
- определение влияния электрооборудования на электрическую сеть при различных режимах работы;
- испытание устройств, позволяющих стабилизировать ПКЭ.
Стенд обеспечивает:
- возможность подключения в разные точки анализатора качества электроэнергии;
- возможность подключения к стенду различных электроприемников для последующей их проверки в разных режимах работы и определения их влияния на ПКЭ;
- возможность отслеживать динамику искажения различных ПКЭ при подключении и работе электроприемников;
- возможность полного отключения одной из трех фаз.
При необходимости вышеуказанный функционал может быть расширен.
После сборки разработанного стенда были произведены его испытания. Они проводились с 9:41ч до 12:00ч 23.06.21г. на базе ФГБОУ ВО Орловский ГАУ. По результатам были получены данные по большинству ПКЭ, которые указаны в [5].
Результаты измерений фазных напряжений представлены на рисунке 3. Для наглядности, данные по отклонениям фазных напряжений были взяты в интервале времени с 10:56ч по 11:59ч.
300
250
« 200 <и
Я
I 150
М 100
50
V./
1...1
■5=
иа ив Ис
юооос^-^юооо ШШООООО^н
юооос^-^юооос^-^юоо ^^мммммттттт
ом^юооом^юю
Время
0
Рисунок 3 - График отклонений фазных напряжений
С 10:11ч по 11.57ч к фазе В были подключены 30 светодиодных ламп, при этом с 10:56ч по 11.17ч двигатель работал в холостом режиме, после 11:17ч на лабораторном автотрансформаторе фазы В было изменено напряжение в большую и меньшую сторону. После изменения напряжения в меньшую сторону наблюдалась вибрация двигателя. Также часть подключенных светодиодных ламп отключалась. При повышении напряжения светодиодные лампы светили ярче, а режим работы двигателя не изменился.
В период с 9:51ч до 9:53ч на лабораторном автотрансформаторе фазы А и фазы С разработанного стенда было быстро изменено фазное напряжение с 220 В до 0 и с 210 В до 250 В, т.е. было создано искажение ПКЭ «Перенапряжение» и «Провал напряжения». В этот период к фазе А были подключены светодиодные лампы. По результатам вышеуказанного изменения были получены данные, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты измерения ПКЭ «Провалы напряжения» и «Перенапряжение»
Провал напряжения на фазе А Перенапряжение на фазе А
Дата Время бипр, % Д^р, с Дата Время Кпер Дtпер, с
23.06.21 9:51:08 12,400 51,790 23.06.21 9:54:13 1,129 44,890
Провал напряжения на фазе В Перенапряжение на фазе B
Дата Время бипр,% Д^р, с Дата Время Кпер Дtпер, с
23.06.21 9:52:13 12,700 51,650 23.06.21 9:55:06 1,121 52,520
Провал напряжения на фазе С Перенапряжение на фазе C
Дата Время бипр,% Д^р, с Дата Время Кпер Дtпер, с
23.06.21 9:53:15 14,000 50,040 23.06.21 9:56:05 1,104 55,980
При быстром изменении напряжения в меньшую сторону наблюдалась вибрация двигателя, при этом лампочки все выключились. При быстром повышении напряжения визуально с электроприемниками ничего не произошло, они работали в нормальном режиме.
По результатам проведенного испытания стенда было выявлено, что ПКЭ «Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения» и ПКЭ «Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности» выходили за нормативное значение при изменении фазного напряжения как в большую, так и в меньшую сторону. Они выходили за пределы нормативного значения из-за наличия однофазной нагрузки в виде 30 светодиодных ламп. Когда лампы отключались, вышеуказанные ПКЭ не выходили за нормативное значение. При выходе ПКЭ за нормы, указанные в [5], визуально с электроприемниками ничего не происходило.
При проведении испытания разработанного стенда коэффициент п-й гармонической составляющей фазных напряжений 15-й гармоники по фазе А составил 0,58, по фазе В 0,73 и по фазе С 0,61, при этом ПКЭ выходил за нормативное значение соответственно в течение 60,05%, 38,12% и 70,75% всего времени измерения. Утверждать, что ПКЭ выходил за нормативное значение из-за светодиодных ламп, мы не будем, так как искажение гармоники могло быть вызвано электроприемниками, подключенных к общей сети университета. Для устранения вышеуказанного недостатка на стенд необходимо установить активное фильтрокомпенсирующее устройство.
По результатам испытания было выявлено, что на стенде можно производить измерения почти всех ПКЭ, которые указаны в [5], с его помощью можно искажать и отслеживать динамику искажения различных ПКЭ. Так же было выявлено, что
разработанный стенд не позволяет изменять значение ПКЭ «Отклонение частоты». Вышеуказанный недостаток будет устранен посредством установки на стенд частотного преобразователя. Для реализации полного функционала разработанного стенда необходимо еще произвести множество экспериментов. Многие различные ситуации с работой электроприемников при различных изменениях ПКЭ будут исследованы в будущем и представлены в новых научных трудах.
Выводы. Разработанный стенд позволяет искажать ПКЭ, следовательно, на нем можно исследовать влияние некачественной электроэнергии на оборудование, а так же влияние электроприемников на искажение ПКЭ. Все это можно исследовать при различных уровнях искажения ПКЭ и разных режимах работы электроприемников.
Конструкция стенда для изучения влияния электрооборудования на показатели качества электроэнергии позволяет на нем испытывать устройства, которые предназначены для повышения ПКЭ, а так же практически определить точку, где лучше расположить то устройство, которое способствовало бы стабилизации ПКЭ.
Список использованных источников:
1. Беликов Р.П., Семенов А.Е., Фомин И.Н. Способы и технические средства повышения качества электроэнергии в сельских электрических сетях // В сборнике: Инновационное развитие университетской библиотеки: менеджмент и маркетинг. Материалы II научно-практической конференции. 2018. С. 60-65.
2. Бородин М.В., Беликов Р.П., Махиянова Н.В. Повышение качества электроэнергии посредством расчета потерь напряжения // Вестник аграрной науки Дона. 2019. № 3 (47). С. 35-40.
3. Borodin M., Psarev A., Kudinova T., Mukhametzhanov R . Improving power quality by calculating voltage losses // In the collection: E3S Web of Conferences. 2019. С. 1041.
4. Наумов А.А. Обеспечение требуемого качества электрической энергии // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 1. С. 85-92.
5. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. [Текст]. - Москва: Стандартинформ, 2014 -16 с.
6. Виноградов А.В., Большев В.Е. Стенд для исследования влияния электроприемников на качество электроэнергии // Агротехника и энергообеспечение. 2014. № 4 (4). С. 46-53.
7. Большев В.Е., Виноградов А.В. Испытания стенда для исследования влияния электроприемников на качество электроэнергии и рекомендации по его совершенствованию // Вестник аграрной науки Дона. 2017. № 2 (38). С. 38-47.
8. Бородин М.В., Терехов Ю.Ю. Стенд для исследования влияния различных типов ламп на качество электроэнергии // Вестник аграрной науки Дона. 2020. № 2 (50). С. 64-73.
DEVELOPMENT OF A STAND FOR RESEARCHING ELECTRIC POWER QUALITY M.V. Borodin, V. Buga, A.E. Dugin, N.V. Makhiyanova
Orel State Agrarian University named of N.V. Parahin
Abstract. The relevance of the study of the influence of electrical equipment on the indicators of the quality of electricity is presented. The developed stand for studying the influence of electrical equipment on power quality indicators helps in practice to determine how low-quality electricity affects electrical consumers, as well as how the electrical consumers themselves affect the quality of electricity. At the same time, on the stand, you can practically determine the point where it is better to place the device that would improve the quality of electricity. The functionality of the stand allows simulating different modes of operation of various electrical receivers, which, in turn, makes it possible to more accurately study in practice the change in the quality indicators of electricity in the electrical network and its effect on electrical equipment. The article presents an electrical diagram of the stand for studying the effect of electrical equipment on the power quality indicators, as well as presents the test results of the developed stand. Key words: Stand, power quality, measurement.
