CC BY
15
The problem of switching on power transformers by electric devices is considered, which is associated with current surges, voltage sags at consumers and is accompanied by one-sided constant components in magnetic fluxes and electrodynamic shocks on transformer windings. It is proposed to eliminate these drawbacks by shock-free switching on the power transformer using an electronic device, which after completion of a soft start is shunted by a contactor. The results of the study of physical processes in the Matlab environment when starting a power transformer with the subsequent transition to a stationary mode of operation are presented.
Key words: power transformer, electric apparatus, electronic apparatus, diode rectifier, reactor, model in Matlab environment.
Klimash Vladimir Stepanovich, doctor of technical sciences, professor, klimashayandex. ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University,
Nimatov Rustam Ramazonovich, postgraduate, Rustam0592a mail.ru, Russia, Kom-somolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University
УДК 621.311; 621.3.018.783; 621.3.018.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕЖИМОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПТИЦЕВОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
М.А. Авербух, П.С. Дрокин, Д.И. Прокопишин, А.В. Погорелов
Целью экспериментальных исследований явилась количественная оценка параметров режимов и электромагнитной обстановки в системе электроснабжения птицеводческого комплекса. Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается исключением систематических погрешностей на основании методики обработки результатов измерений по ГОСТР. 8.736-2011. Результаты измерений и расчётов подтверждают наличие несинусоидальности и несимметрии фазных токов и напряжений и позволяют оценить влияние их на потери электроэнергии и снижения срока службы оборудования.
Ключевые слова: высшие гармоники токов и напряжений, несимметрия напряжения, экспериментальные исследования, погрешности измерений.
На современных птицеводческих комплексах, применяются регулируемые частотные электропривода, энергосберегающее освещение, системы обогрева и т.д., все эти электроприёмники обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой. Поэтому актуальной задачей является исследование электромагнитной совместимости (ЭМС) электроприёмников с системой электроснабжения [1-3]. Цель экспериментального и аналитического исследований заключалась в количественной оценке параметров режимов работы, показателей нелинейности и несимметрии, системы, электроснабжения птицеводческого комплекса в реальных условиях. на предприятии по производству племенного яйца в поселке городского типа «Ра-зуменский» Белгородской области. На рис. 1 представлена схема электроснабжения птицеводческого комплекса, состоящего из пяти корпусов (К1-5) с указанием электроприемников и места установки измерительного прибора.
Основные параметры электроприёмников представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные параметры электроприёмников__
№ Наименование электроприемника Количество, шт Pн кВт ^фп Пп, % Ре, кВт
Регулируемый электропривод по системе ППЧ-АД*
1 Ленточный конвейер* 5 0,75 0,83 79 3,75
2 Транспортировочный конвейер* 3 0,55 0,85 75 1,65
Нерегулируемый электропривод
3 Привод шнекового распределения кормов №1 20 0,55 0,8 83 11
4 Привод шнекового распределения кормов №2 20 1,1 0,83 78 22
5 Система транспортировки корма 20 0,75 0,83 79 15
6 Прицеп кормовоза 2 15 0,89 89 30
7 Система увлажнения 5 2,2 - - 11
8 Торцевая вентиляция 30 1,1 0,87 85 33
9 Компрессор 1 6,5 - - 6,5
Другая трёхфазная нагрузка
10 Тепловая завеса 1 6 - - 6
11 Электрическая пушка 1 5 - - 5
Однофазная нагрузка
12 Сварочный инвертор 1 6,2 квар - 85 6,2 квар
13 Стиральная машина 2 2,5 - 87 5
14 Воздухонагреватель «ОР-95» 32 0,65 0,84 77 20,8
15 Кондиционер 1 2,2 - - 2,2
16 Фен 4 2,2 - - 8,8
17 Система освещения 500 0,036 - - 18
18 Крышная вентиляция 15 0,75 0,84 82 11,25
19 Крышная вентиляция* 10 0,75 0,84 82 7,5
Примечание: «*» в табл. 1 отмечен регулируемый электропривод переменного тока на базе полупроводниковых преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока (ППЧ-АД); ИД - инверторный двигатель.
Корпус инкубатор содержит: чиллеры с частотным электроприводом, инкубаторные установки, системы освещения с энергосберегающими лампами. В административно бытовом корпусе установлены компьютеры, освещения и другая офисная техника. Суммарная мощность, потребляемая двумя корпусами, составляет 55 кВт.
На рис. 2 представлен технологический процесс производства племенного яйца.
i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_iiii_iiii_i_j_i i i i i i i i i i i i i i i i i i_i_l_i i i i i i i i f'
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00
Рис. 2. Этапы технологического процесса производства племенного яйца: 1 - вентиляция и поддержка микроклимата; 2 - засыпка корма;
3 - работа освещения; 4 - кормление птицы; 5 - разгрузка корма;
6 - транспортировка яйца
Как следует из рис. 2, наиболее длительной технологической процедурой является поддержание микроклимата (1) в птицеводческих помещениях. Кормление птицы (4) происходит в установленный промежуток времени в течение 5 часов. Транспортировка корма (2) из бункеров в корпуса осуществляется с помощью шнекового конвейера. Засыпка корма (5) в уличные бункера производится машиной кормовоз. Поддержание нужной освещённости (3) производиться с помощью люминесцентных ламп. Транспортировка яйца (6) к месту укладки их в лотки производится конвейерами, регулирование скорости которых осуществляется с помощью частотных электроприводов.
Измерения проводились в соответствии с программой эксперимента, утверждённой главными специалистами предприятия. Особенностями экспериментальных исследований сводились к учету следующих факторов: изменения нагрузки в течение одной смены в соответствии технологического процесса (рис.2), одних суток и одной недели; малым циклом работы наиболее мощных электроприёмников; подбором необходимого номинала токовых клещей в зависимости от нагрузки смены. В качестве измерительного прибора использовался анализатор качества электроэнер-
гии «Chauvin Arnoux 8335» [4, 5] подключенного в точке «И» (см. рис.1) по схеме, представленной на рис. 3, технические характеристики которого представлены в табл. 2.
Таблица 2
Технические характеристики анализатора качества электроэнергии
Chauvin Arnoux 8335
Параметр Погрешность измерения Предел измерения
Ток, А ±0,5 % 6500
Напряжение, В ±0.5 % 1000
Активная мощность, кВт ±1 % 9999
Реактивная мощность, квар ±1 % 9999
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Ки (ТИБИ), % ±0,1 % 999
Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока К1 (ТИБ1), % ±1 % 999
В табл. 3 приведён фрагмент результатов измерений на примере фазы А, а также результаты расчётов показателей несимметрии для пяти дней в моменты времени 4:00, 15:00, 19:00.
v ТА4
1 '
Т1+ Т1- Т2+ Т2- ТЗ+ ТЗ- Т4+ Т4- Va Vb Vc Vn
ChauvinArnoux 8335
Рис. 3. Схема подключения прибора Chauvin Arnoux 8335
Таблица 3
Фрагмент результатов измерений и аналитических расчетов
на примере фазы А
№ Результаты измерений Результаты вычислений
Ра, кВт Qa, квар THDia*, % THDua*, % Ia rms, A Ib rms, A Ic rms, A Ua rms, В Ub rms, В Uc rms, В K2u % Ku %
1 5,7 3,9 8,9 1,4 39 30 45 224 227 223 1,17 2,3
2 18,1 2,0 4 1,1 64 78 96 217 213 207 2,63 6,26
3 9,8 3,2 5 1 48 45 65 222 223 217 1,68 1,31
4 5,8 3,8 8,6 1,7 40 30 45 224 227 223 1,2 2,48
5 18,4 2,9 2,1 1,5 58 80 93 219 212 208 2,86 9,2
6 9,9 3,0 4,7 1,2 50 45 60 221 222 218 1,14 1,16
7 5,8 4,0 12,9 1,5 30 31 44 227 227 223 1,2 1,26
8 18,1 1,8 2,6 1,5 63 78 88 217 213 210 2,1 6,25
9 9,9 3,0 4,9 1 45 45 57 223 222 219 1,08 1,12
10 5,7 3,9 13,1 1,4 39 30 45 224 227 223 1,17 2,3
11 18,1 2,0 3,7 1,5 64 78 96 217 213 207 2,63 6,13
12 9,8 3,2 7 1,2 48 45 65 222 223 217 1,68 1,31
13 4,0 5,7 13,4 1,2 38 30 43 225 227 223 1,02 1,94
14 2,3 15,4 4,4 1,6 56 67 79 219 216 212 1,82 4,8
15 9,8 3,2 7,3 1,1 46 44 53 222 223 220 1,17 2,3
Как следует из табл. 3 максимальные значения коэффициентов суммарных гармонических составляющих тока и напряжения К^ТЫЭО и Ки(ТЫЭи) за весь период измерений составили 13,6 % и 1,9 % соответственно.
На рис. 4 представлены осциллограмма и спектр потребляемого тока фазы А, из которых следует, что в потребляемом токе присутствуют гармоники кратные трём, вызывающие увеличение тока и потерь электроэнергии в нейтральном проводе.
451-!-!-!-!-!-!-!-|-|-|-
40 -......................|...............|...............|..............................[-...........|...............|..............................|......-
35 -......................|...............|...............|..............................[-...........|...............|..............................|......-
30
о а.
15-......................]...............|...............[..............................]--...........|...............[..............................]......-
ю-......................|...............■...............■..............................[-...........■...............■..............................|......-
5 -..................................................................................[-........................................................I......-
°0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Порядок гармоники
а б
Рис. 4. Осциллограмма (а) и спектр (б) кривой тока фазы А
Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается исключением систематических и случайных погрешностей на основании методики обработки результатов измерений по ГОСТР. 8.7362011 [6]. В соответствии с настоящим стандартом для многократных измерений произведен расчет поправок с доверительной вероятностью Р=0,95 и проверка гипотезы о нормальности распределения результатов измерений. В табл. 4представлены результаты расчёта для шестнадцати измерений. При этом коэффициент Стьюдента равен 2,131449, а квантили распределения (я/2 и (1-я/2равны 0,8884 и 0,7236 соответственно.
Таблица 4
Параметры_ для обработки результатов измерений_
Параметр Математическое ожидание т СКО Б Доверительный интервал 8 Смещённое СКО Б* XI X - х\ з = н8 *
1сЯМ8, А 88,2 8,2949 17,68 8.005 0,7651
Р, Вт 19059 1874 4000 1814 0,7792
Q, вар 6907 550 1174 492 0,8501
ТЫБт,% 2,45 0,6368 1,3573 0.6134 0,8763
На рис. 5 представлена схема замещения системы электроснабжения корпуса птицеводческого корпуса. На основании данной схемы был произведён расчёт токов во всех фазных и нейтральных проводниках с использованием метода узловых потенциалов [7], а также произведён расчёт коэффициентов несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности системы по формуле [8]
462
К и2 К - и0 К2и-щ ' К°и-щ
(1)
Расчёт произведены для момента времени, соответствующего 15 часам, при этом расчётные значения К2и и Кои составили 1,72 % и 5,06 % соответственно, и отличаются от измеренных не более чем на 5 %.
Еа
р?т=0,19840м, Хт=0,720м Кф1 =0,0550м, Хф1=0,0040м Р!н=0,0430м, Хн=0,00350м Кф2=0,060м, Хф2=0,00450м КфЗ=0,0670м, ХфЗ=0,0050м Кф4=0,0560м, Хф4=0,0080м
=32,7кВт+]22,5квар 32=29,7кВт+]20,6кв ар 33=29,8кВт+]11,9квар 34,35= 16,9кВт+]4,25квар 36,37,38=0,95кВт+]0,64квар 39...Э16=1,41кВт+]0,45квар
Рис. 5. Расчётная схема замещения системы электроснабжения
Несимметрия напряжений иллюстрируется векторными диаграммами (рис. 6). Смещение нейтрали для точек «И» и «1» составили 5,6 и 15,4 В соответственно.
иь !Ь
ип\ ' 1а иа
1п
Масштаб Масштаб напряже тока 1:2. шй 1:1
Ус *
0 -100 -50 0 50 100 150 200 2
иь
.1п
1с I. а У
/ЛЬ
Масшта 1:1 >напряж ;ний
Ус
а б
Рис. 6. Векторная диаграмма фазных и линейных напряжений, полученных в результате измерений (а) и аналитическических
расчётов (б)
463
Результаты измерений подтверждают наличие несинусоидальности и несимметрии фазных токов и напряжений, не выходящих за нормированные значения. Однако, учитывая модернизацию производства и широкое внедрение регулируемого электропривода, рост нагрузок, что неизбежно приведет к снижению качества электроэнергии.
Аналитические расчёты коэффициента суммарных гармонических составляющих для потребителей второй секции шин, соответственно со-ставилиК[=15.2 Ки=2.4% Расчёт коэффициента Ки для шины «0» составил 3,06 %: _
Ки = VКи(1) + Ки(2) , (2)
где Кщ) и Ки(2) - коэффициенты суммарных гармонических составляющих для потребителей первой и второй секции шин соответственно.
Дополнительные потери от высших гармонических составляющих токов и несимметрии, прирост температуры, снижение срока службы асинхронных двигателей, подключенных к общей секции шин, определяются так [9]:
0 40
ДР Л = 2-ДР • К2 • у гарм.дв. СТ П ~ ^ п=2
' К 2
Ки (п)
п
■4П
(3)
ДР = 2,41 •ДР • К2 • К2 , (4)
несдв. СТ П 2и (4)
где АРСТ - потери в статоре асинхронного двигателя, КП - кратность пускового тока двигателя, Кщп) - коэффициент п-й гармонической составляющей, К2и- коэффициент несимметрии обратной последовательности.
Прирост температур от токов высших гармоник и токов обратной последовательности
ДР л +ДР л
А гармдв. несдв.
ДТ=Т----. (5)
ном ДР у '
ном
Коэффициент снижения срока службы двигателя под воздействие токов высших гармоник и токов обратной последовательности
К = 0.086 Дт+ (°.086-Дт)2. (6)
сс 2
Величина снижения срока службы асинхронного двигателя под воздействием токов высших гармоник и несимметрии напряжения
Д = *ном •Ксс, (7)
где 1НОМ - номинальный срок службы асинхронного двигателя.
Результаты расчётов потерь мощности и снижения срока службы асинхронных двигателей, установленных на предприятии, представлены в табл. 5.
Таблица 5
Результаты расчётов потерь мощности и снижения срока службы __асинхронных двигателей _
Мощность двигателя, кВт Потери от не синусоидальности напряжения, Вт Потери от несимметрии напряжения, Вт Снижение срока службы, лет
0,55 0,05 4,1 2,6
0,75 0,07 5,6 2,8
1,1 0,1 8,2 3,4
15 0,7 54,91 4,3
Потери мощности от несинусоидальности и несимметрии в под-станционном трансформаторе незначительные, но с ростом нагрузок могут превысить допустимые значения.
В результате проделанной работы получены следующие выводы.
1. Экспериментальные исследования и аналитические расчеты режимов в системе электроснабжения птицеводческого комплекса подтвердили наличие нелинейности и несимметрии токов и напряжений. При этом максимальные значения Ki и Ku составили 13,6 и 1,9 % соответственно, а коэффициенты несимметрии напряжения K2U и K0U 1,41 и 2,45 % соответственно. Несмотря на относительно невысокие значения, проблема ЭМС проявляется в дополнительных потерях мощности в элементах сети и приводит к сбоям в системах автоматики.
2. Измерения проводились в строгом соответствии стандартов и с планом проведения экспериментов, утвержденном главными специалистами предприятия. При этом результаты измерений коррелируют с графиком технологического процесса и со сменной загрузкой оборудования.
3. Достоверность результатов подтверждается оценкой погрешности измерения в соответствии ГОСТ Р 8.736-2011. Систематические погрешности переведены в разряд случайных и с доверительной вероятностью 0.95 получены интервалы изменения основных измеренных величин.
Список литературы
1. Наумкин И.Б., Паскарь И.Н., Завьялов В.М. Влияние нелинейной нагрузки на качество электроэнергии // Кузбасский вестник. 2015. С. 75 -81.
2. Авербух М.А., Лимаров Д.С., Коржов Д.Н. Оценка высших гармоник в сетях с частотным крановым электроприводом // Энергетик. 2015. № 5. С. 31-34.
3. Моргунов Д.Н. Влияние нелинейной нагрузки на качество электрической // Проблемы современной науки и образования. 2017. № 6 (62). С. 75 - 77.
4. Трёхфазный анализатор параметров электросетей, качества и количества электроэнергии C.A. 8334 Qualistarplus [Электронный ресурс]. URL: http://megatester.ru/ru/analizatory-kachestva-elektricheskoy-energii/168-ca-8335-qualistar-plus-.html (дата обращения: 10.02.2020).
5. Свидетельство о поверке № СП-150140. Измеритель показателей качества электроэнергии C.A. 8335. Регистрационный № 28710-07. Действительно до: 07.08.2021.
6. ГОСТ Р 8.736-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2011. 23 с.
7. Авербух, М. А., Жилин Е.В., Прокопишин Д.И. Минимизация потерь электроэнергии в системах электроснабжения индивидуального жилищного строительства // Проблемы региональной энергетики. 2018. №37. С. 31-38.
8. Дед А.В., Бирюков С.В., Паршукова А.В. Расчет дополнительных потерь мощности от воздействия несимметрии напряжений и токов в элементах электрических сетей // Современные проблемы науки и образования. 2014. №5 [Электронный ресурс]. URL: http:// www.science-education.ru/ru/article/view?id= 15249 (дата обращения: 30.04.2020).
9. Ползиков М.Н. Электромагнитная совместимость. Новомосковск: ГОУ ВПО «РХТУ им. Д.И. Менделева», Новомосковский институт, 2010. 27 с.
Авербух Михаил Александрович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова,
Дрокин Павел Сергеевич, магистрант, pashadrokinamail. ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Прокопишин Дмитрий Игоревич, аспирант, prokopishin. dmitrijayandex. ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова,
Погорелов Алексей Владимирович, аспирант, pog_alex31 amail. ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
EXPERIMENTAL RESEARCH OF PARAMETERS OF MODES IN THE PO WER SUPPLY
SYSTEM OF A POULTRY COMPLEX
M.A. Averbukh, P.S. Drokin, D.I. Prokopishin, A. V. Pogorelov
The purpose of experimental research was to quantify the parameters of modes and electromagnetic environment in the power supply system of the poultry complex. The validity of the results of experimental studies is confirmed by the exclusion of systematic errors based on the method of processing the results of measurements according to GOSTR. 8.736-2011. The results of measurements and calculations confirm the presence of non-sinusoidality and asymmetry of phase currents and voltages and allow us to assess their impact on power losses and reducing the service life of equipment.
Key words: higher harmonics of currents and voltages, voltage asymmetry, experimental research, measurement errors.
Averbukh Mikhail Alexandrovich doctor of technical sciences, professor, avers45@rambler. ru, Russia, Belgorod, Belgorod state technological University named after V.G. Shukhov,
Drokin Pavel Sergeevich, master, pashadrokin@,mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod state technological University named after V. G. Shukhov,
Prokopishin Dmitry Igorevich, postgraduate, prokopishin. dmitrij@yandex. ru, Russia, Belgorod, Belgorod state technological University named after V.G. Shukhov,
Pogorelov Alexey Vladimirovich, postgraduate, pog_alex31 @,mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod state technological University named after V.G. Shukhov
УДК 621.12
ТОРМОЗНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЯКОРНОГО
МЕХАНИЗМА
В.С. Иванов, О.М. Федоров
Рассматривается частотно-регулируемый электропривод якорно-швартовного механизма в режиме отдачи якоря электроприводом. В режиме тормозного спуска якоря рассчитывается посадочный момент исполнительного электродвигателя и посадочная скорость якоря на грунт. Приводятся расчет и выбор тормозных резисторов.
Ключевые слова: судовой, якорный механизм, частотно-регулируемый электропривод, тормозные характеристики электродвигателя и якорного механизма.
Якорные механизмы предназначены для отдачи якоря и якорной цепи при постановке судна на якорь; стопорения якорного каната при стоянке судна на якоре; снятия с якоря - подтягивания судна к якорю, выбирания цепи и якоря и втягивания якоря в клюз. Рабочим органом якорного механизма является цепной кулачковый барабан или цепная звездочка.
По требованию Регистра РФ якорные механизмы должны изготовляться с оборудованием для контроля и управления отдачей якорной цепи (в полном объеме или частично):
дистанционными репитерами счетчиками длины вытравленной якорной цепи;
указателями скорости травления якорной цепи;
устройствами автоматического подтормаживания якорной цепи при травлении;
устройствами дистанционного управления тормозами цепных звездочек.
Отдача якоря может производится при разобщенном электроприводе за счет собственного веса якоря с ручным или автоматическим подтор-маживанием посредством ленточного тормоза или с помощью электропривода. Наибольшее распространение получили якорно-швартовные механизмы в виде брашпилей или полубрашпилей. На рис.1 представлен полубрашпиль рефрижератора «Baltic Spring».
467
