Помощь студентам в учебе
Исследование влияния несинусоидальных нагрузок на работу силовых трансформаторов 10(6)/0.4кВ
|
Введение 4
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 9
1 Анализ режимов работы силовых трансформаторов 10(6)/0,4кВ 9
1.1 Влияние потребителей электрической энергии на форму тока в
сетях напряжением 0.4кВ 19
1.2 Анализ действующих стандартов в области качества электрической энергии электромагнитной совместимости применительно к ограничению влияния потребителей на сеть 27
Выводы к первой главе и постановка задач исследования 36
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 37
2 Методы определения параметров и характеристик силовых
трансформаторов 37
2.1 Обзор методов и систем инженерного анализа, используемых для
моделирования физических процессов в трансформаторов 42
2.2 Экспериментально-расчетный метод исследования силовых
трансформаторов при несинусоидальных режимах работы 47
2.3 Аппаратные средства для исследования силовых
трансформаторов 58
2.4 Виртуальные приборы для исследования силовых
трансформаторов 63
Выводы ко второй главе 71
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 72
3 Исследование однофазного силового трансформатора при
подключении ко вторичной обмотке мостового выпрямителя с емкостным фильтром и активной нагрузкой 72
3.1 Исследование однофазного силового трансформатора при
подключении ко вторичной обмотке мостового управляемого выпрямителя с активной нагрузкой 73
3.2 Исследование трехфазного силового трансформатора при
подключении ко вторичной обмотке группы однофазных мостовых выпрямителей с емкостным фильтром и активной нагрузкой нагрузкой 78
3.3 Исследование трехфазного силового трансформатора при
подключении ко вторичной обмотке группы однофазных мостовых
управляемых выпрямителей с активной нагрузкой 82
3.4 Моделирование процессов в однофазном силовом
трансформатора 93
3.5 Моделирование процессов в трехфазном силовом
трансформаторе 100
3.6 Определение параметров нелинейной нагрузки силовых
трансформаторов 10(6)/0,4кВ в рабочем режиме 107
Выводы к третьей главе 110
Заключение 113
Список литературы 115
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 9
1 Анализ режимов работы силовых трансформаторов 10(6)/0,4кВ 9
1.1 Влияние потребителей электрической энергии на форму тока в
сетях напряжением 0.4кВ 19
1.2 Анализ действующих стандартов в области качества электрической энергии электромагнитной совместимости применительно к ограничению влияния потребителей на сеть 27
Выводы к первой главе и постановка задач исследования 36
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 37
2 Методы определения параметров и характеристик силовых
трансформаторов 37
2.1 Обзор методов и систем инженерного анализа, используемых для
моделирования физических процессов в трансформаторов 42
2.2 Экспериментально-расчетный метод исследования силовых
трансформаторов при несинусоидальных режимах работы 47
2.3 Аппаратные средства для исследования силовых
трансформаторов 58
2.4 Виртуальные приборы для исследования силовых
трансформаторов 63
Выводы ко второй главе 71
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 72
3 Исследование однофазного силового трансформатора при
подключении ко вторичной обмотке мостового выпрямителя с емкостным фильтром и активной нагрузкой 72
3.1 Исследование однофазного силового трансформатора при
подключении ко вторичной обмотке мостового управляемого выпрямителя с активной нагрузкой 73
3.2 Исследование трехфазного силового трансформатора при
подключении ко вторичной обмотке группы однофазных мостовых выпрямителей с емкостным фильтром и активной нагрузкой нагрузкой 78
3.3 Исследование трехфазного силового трансформатора при
подключении ко вторичной обмотке группы однофазных мостовых
управляемых выпрямителей с активной нагрузкой 82
3.4 Моделирование процессов в однофазном силовом
трансформатора 93
3.5 Моделирование процессов в трехфазном силовом
трансформаторе 100
3.6 Определение параметров нелинейной нагрузки силовых
трансформаторов 10(6)/0,4кВ в рабочем режиме 107
Выводы к третьей главе 110
Заключение 113
Список литературы 115
Развитие современных технологий определяет расширение области применения и увеличение количества используемых электронных устройств и высокотехнологичного электрооборудования. При создании современных электронных устройств, как правило, решаются задачи миниатюризации устройств и снижения их электропотребления. В большинстве электронных устройств, питающихся от сети напряжением 380/220В частотой 50Гц, применяются выпрямительные схемы питания с пассивными фильтрами. При работе таких устройств, ток потребляемый из сети, имеет импульсный характер, происходит искажение формы питающего напряжения, связанное с падением напряжения на элементах электрической сети.
Развитие современных технологий определяет расширение области применения и увеличение количества используемых электронных устройств и высокотехнологичного электрооборудования. При создании современных электронных устройств, как правило, решаются задачи миниатюризации устройств и снижения их электропотребления. В большинстве электронных устройств, питающихся от сети напряжением 380/220В частотой 50Гц, применяются выпрямительные схемы питания с пассивными фильтрами. При работе таких устройств, ток потребляемый из сети, имеет импульсный характер, происходит искажение формы питающего напряжения, связанное с падением напряжения на элементах электрической сети.
К устройствам бытового назначения, работа которых приводит к искажению формы тока и напряжения в сети, относятся: компьютеры, принтеры, зарядные устройства, люминесцентные лампы с электронной пускорегулирующей аппаратурой, блоки питания различных приборов и устройств. К широко применяемому в промышленном производстве электрооборудованию, приводящему к сильным искажениям формы тока и напряжения, относятся: сварочные аппараты, выпрямительные агрегаты и блоки питания различных технологических установок, дуговые электропечи, полупроводниковые преобразователи плавильных агрегатов высокочастотного индукционного нагрева, преобразователи частоты для управления производительностью асинхронных электродвигателей и другие.
Работа потребителей электрической энергии, имеющих нелинейную вольтамперную характеристику, оказывает влияние на функционирование элементов электрических сетей. Одним из основных элементов электрической сети является силовой трансформатор. Надежность и качество функционирования систем электроснабжения в значительной степени зависит от работы силовых трансформаторов. Несинусоидальные режимы влияют на работу оборудования, в том числе и на силовые трансформаторы. Появление в сети токов и напряжений высших гармоник приводит к изменению режима работы силовых трансформаторов. Влияние нелинейной нагрузки на силовые трансформаторы выражается в возникновении дополнительных потерь, увеличении температуры нагрева рабочих частей и проводящих конструктивных элементов (бак или кожух, прессующие кольца, ярмовые балки, нажимные и стяжные пластины, бандажи, электромагнитные и статические экраны, обмотки симметрирующих устройств).
«Старение» парка электротехнического оборудования и медленные темпы технического перевооружения большинства систем электроснабжения усугубляют проблему, связанную с увеличением доли нелинейных нагрузок и их влиянием на работу силовых трансформаторов.
Актуальность темы. Исследование процессов в силовых трансформаторах при несинусоидальных режимах является актуальной задачей, решение которой необходимо с целью разработки путей повышения эксплуатационной надежности и энергетической эффективности работы всей системы электроснабжения в целом и силовых трансформаторов, как элементов этой системы, в частности. Актуальность использования современных программных средств для исследования силовых трансформаторов обусловлена возможностью быстрой обработки массивов экспериментальных данных в режиме реального времени и применением систем инженерного анализа CAE
(Computer Aided Engineering) для конечно-элементного моделирования физических процессов.
Цель диссертации: заключается в исследовании процессов в однофазных и трехфазных силовых трансформаторах при несинусоидальных режимах.
Основные задачи, решаемые в работе для выполнения поставленных целей:
1. Анализ режимов работы силовых трансформаторов подстанций напряжением 10(6)/0,4кВ.
2. Анализ существующих способов исследования параметров и характеристик силовых трансформаторов.
3. Разработка метода исследования процессов в силовых трансформаторах при несинусоидальных режимах работы.
4. Разработка программных и аппаратных средств для экспериментального исследования силовых трансформаторов.
5. Исследование параметров и характеристик силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах работы.
6. Моделирование электромагнитных процессов в силовых трансформаторах при несинусоидальных режимах работы.
Методы научных исследований. определялись характером каждой из поставленных задач. Для анализа несинусоидальных режимов в электрических сетях 0,4кВ и анализа режимов работы силовых трансформаторов 10(6)/0,4кВ проводились инструментальные обследования трансформаторных подстанций. При проведении обследований использовались анализаторы качества электрической энергии зарегистрированные в государственном реестре средств измерений РФ.
Исследование параметров и характеристик силовых трансформаторов проводилось на основе теории электрических цепей, теории поля и теории электрических аппаратов.
Было создано стендовое оборудование для проведения исследований. Обработка экспериментальных данных и расчеты производились с использованием разработанных виртуальных приборов, созданных в среде графического программирования LabVIEW 2009.
Моделирование электромагнитных процессов в силовых трансформаторах выполнялось методом конечных элементов с использованием программы Еxcel 5.1.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Разработан экспериментально-расчетный метод исследования процессов в силовых трансформаторах, основанный на использовании экспериментальных данных (массивов мгновенных значений токов и напряжений) для конечно-элементного моделирования магнитного поля.
2. Исследовано влияние несинусоидальных токов нагрузки на потери в магнитопроводе однофазных и трехфазных силовых трансформаторов.
3. Исследовано влияние несинусоидальных токов нагрузки на параметры магнитного поля и плотность вихревых токов в магнитопроводе однофазных и трехфазных силовых трансформаторов.
Достоверность полученных результатов при решении поставленных задач обеспечена корректным применением математических методов, обоснованностью принимаемых допущений, сравнением полученных экспериментальных данных с результатами конечно-элементного моделирования.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Разработан экспериментально-расчетный метод исследования, позволяющий достоверно определять параметры и характеристики при несинусоидальных режимах.
2. Разработан комплект аппаратуры для исследования параметров и характеристик силовых трансформаторов с использованием мгновенных значений токов и напряжений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментально-расчетный метод исследования силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах.
2. Комплект аппаратуры для исследования параметров и характеристик силовых трансформаторов.
3. Результаты исследования силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах работы.
Развитие современных технологий определяет расширение области применения и увеличение количества используемых электронных устройств и высокотехнологичного электрооборудования. При создании современных электронных устройств, как правило, решаются задачи миниатюризации устройств и снижения их электропотребления. В большинстве электронных устройств, питающихся от сети напряжением 380/220В частотой 50Гц, применяются выпрямительные схемы питания с пассивными фильтрами. При работе таких устройств, ток потребляемый из сети, имеет импульсный характер, происходит искажение формы питающего напряжения, связанное с падением напряжения на элементах электрической сети.
К устройствам бытового назначения, работа которых приводит к искажению формы тока и напряжения в сети, относятся: компьютеры, принтеры, зарядные устройства, люминесцентные лампы с электронной пускорегулирующей аппаратурой, блоки питания различных приборов и устройств. К широко применяемому в промышленном производстве электрооборудованию, приводящему к сильным искажениям формы тока и напряжения, относятся: сварочные аппараты, выпрямительные агрегаты и блоки питания различных технологических установок, дуговые электропечи, полупроводниковые преобразователи плавильных агрегатов высокочастотного индукционного нагрева, преобразователи частоты для управления производительностью асинхронных электродвигателей и другие.
Работа потребителей электрической энергии, имеющих нелинейную вольтамперную характеристику, оказывает влияние на функционирование элементов электрических сетей. Одним из основных элементов электрической сети является силовой трансформатор. Надежность и качество функционирования систем электроснабжения в значительной степени зависит от работы силовых трансформаторов. Несинусоидальные режимы влияют на работу оборудования, в том числе и на силовые трансформаторы. Появление в сети токов и напряжений высших гармоник приводит к изменению режима работы силовых трансформаторов. Влияние нелинейной нагрузки на силовые трансформаторы выражается в возникновении дополнительных потерь, увеличении температуры нагрева рабочих частей и проводящих конструктивных элементов (бак или кожух, прессующие кольца, ярмовые балки, нажимные и стяжные пластины, бандажи, электромагнитные и статические экраны, обмотки симметрирующих устройств).
«Старение» парка электротехнического оборудования и медленные темпы технического перевооружения большинства систем электроснабжения усугубляют проблему, связанную с увеличением доли нелинейных нагрузок и их влиянием на работу силовых трансформаторов.
Актуальность темы. Исследование процессов в силовых трансформаторах при несинусоидальных режимах является актуальной задачей, решение которой необходимо с целью разработки путей повышения эксплуатационной надежности и энергетической эффективности работы всей системы электроснабжения в целом и силовых трансформаторов, как элементов этой системы, в частности. Актуальность использования современных программных средств для исследования силовых трансформаторов обусловлена возможностью быстрой обработки массивов экспериментальных данных в режиме реального времени и применением систем инженерного анализа CAE
(Computer Aided Engineering) для конечно-элементного моделирования физических процессов.
Цель диссертации: заключается в исследовании процессов в однофазных и трехфазных силовых трансформаторах при несинусоидальных режимах.
Основные задачи, решаемые в работе для выполнения поставленных целей:
1. Анализ режимов работы силовых трансформаторов подстанций напряжением 10(6)/0,4кВ.
2. Анализ существующих способов исследования параметров и характеристик силовых трансформаторов.
3. Разработка метода исследования процессов в силовых трансформаторах при несинусоидальных режимах работы.
4. Разработка программных и аппаратных средств для экспериментального исследования силовых трансформаторов.
5. Исследование параметров и характеристик силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах работы.
6. Моделирование электромагнитных процессов в силовых трансформаторах при несинусоидальных режимах работы.
Методы научных исследований. определялись характером каждой из поставленных задач. Для анализа несинусоидальных режимов в электрических сетях 0,4кВ и анализа режимов работы силовых трансформаторов 10(6)/0,4кВ проводились инструментальные обследования трансформаторных подстанций. При проведении обследований использовались анализаторы качества электрической энергии зарегистрированные в государственном реестре средств измерений РФ.
Исследование параметров и характеристик силовых трансформаторов проводилось на основе теории электрических цепей, теории поля и теории электрических аппаратов.
Было создано стендовое оборудование для проведения исследований. Обработка экспериментальных данных и расчеты производились с использованием разработанных виртуальных приборов, созданных в среде графического программирования LabVIEW 2009.
Моделирование электромагнитных процессов в силовых трансформаторах выполнялось методом конечных элементов с использованием программы Еxcel 5.1.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Разработан экспериментально-расчетный метод исследования процессов в силовых трансформаторах, основанный на использовании экспериментальных данных (массивов мгновенных значений токов и напряжений) для конечно-элементного моделирования магнитного поля.
2. Исследовано влияние несинусоидальных токов нагрузки на потери в магнитопроводе однофазных и трехфазных силовых трансформаторов.
3. Исследовано влияние несинусоидальных токов нагрузки на параметры магнитного поля и плотность вихревых токов в магнитопроводе однофазных и трехфазных силовых трансформаторов.
Достоверность полученных результатов при решении поставленных задач обеспечена корректным применением математических методов, обоснованностью принимаемых допущений, сравнением полученных экспериментальных данных с результатами конечно-элементного моделирования.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Разработан экспериментально-расчетный метод исследования, позволяющий достоверно определять параметры и характеристики при несинусоидальных режимах.
2. Разработан комплект аппаратуры для исследования параметров и характеристик силовых трансформаторов с использованием мгновенных значений токов и напряжений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментально-расчетный метод исследования силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах.
2. Комплект аппаратуры для исследования параметров и характеристик силовых трансформаторов.
3. Результаты исследования силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах работы.
В диссертационной работе рассмотрены вопросы влияния потребителей с нелинейной вольтамперной характеристикой на работу однофазных и трехфазных силовых трансформаторов, получены следующие основные результаты:
1. Проведен анализ режимов работы силовых трансформаторов трансформаторных подстанций напряжением 10(6)/0,4кВ.. Установлено, что большинство силовых трансформаторов работает в несинусоидальном режиме, за счет увеличения доли нелинейной нагрузки.
2. Анализ нормативных документов в области качества электрической энергии и электромагнитной совместимости действующих на территории Российской Федерации, показал, что последние не позволяют в полной мере ограничивать влияние потребителей на электрические сети.
3. Разработан экспериментально-расчетный метод исследования процессов в силовых трансформаторах, основанный на использовании экспериментальных данных (массивов мгновенных значений токов и напряжений) для конечно-элементного моделирования магнитного поля.
4. Разработаны аппаратные и программные средства для исследования силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах работы с использованием экспериментально-расчетного метода.
5. Проведено экспериментальное исследование параметров и характеристик силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах. Установлено, что несинусоидальные токи нагрузки приводят к изменению режима перемагничивания магнитопроводов силовых трансформаторов и увеличению магнитных потерь.
6. Получены экспериментальные характеристики намагничивания магнитопровода однофазного силового трансформатора и стержней магнитопровода трехфазного силового трансформатора при несинусоидальных режимах работы.
7. Получены зависимости коэффициента кратности потерь в магнитопроводе однофазного и трехфазного силовых трансформаторов при изменении параметров нелинейной нагрузки. Коэффициент кратности потерь для однофазного трансформатора может достигать 1,8, для трехфазного более 1,9.
8. Посредством конечно-элементного моделирования магнитного поля силового трансформатора получены картины распределения силовых линий индукции магнитного поля и плотности вихревых токов в стали магнитопровода.
1. Проведен анализ режимов работы силовых трансформаторов трансформаторных подстанций напряжением 10(6)/0,4кВ.. Установлено, что большинство силовых трансформаторов работает в несинусоидальном режиме, за счет увеличения доли нелинейной нагрузки.
2. Анализ нормативных документов в области качества электрической энергии и электромагнитной совместимости действующих на территории Российской Федерации, показал, что последние не позволяют в полной мере ограничивать влияние потребителей на электрические сети.
3. Разработан экспериментально-расчетный метод исследования процессов в силовых трансформаторах, основанный на использовании экспериментальных данных (массивов мгновенных значений токов и напряжений) для конечно-элементного моделирования магнитного поля.
4. Разработаны аппаратные и программные средства для исследования силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах работы с использованием экспериментально-расчетного метода.
5. Проведено экспериментальное исследование параметров и характеристик силовых трансформаторов при несинусоидальных режимах. Установлено, что несинусоидальные токи нагрузки приводят к изменению режима перемагничивания магнитопроводов силовых трансформаторов и увеличению магнитных потерь.
6. Получены экспериментальные характеристики намагничивания магнитопровода однофазного силового трансформатора и стержней магнитопровода трехфазного силового трансформатора при несинусоидальных режимах работы.
7. Получены зависимости коэффициента кратности потерь в магнитопроводе однофазного и трехфазного силовых трансформаторов при изменении параметров нелинейной нагрузки. Коэффициент кратности потерь для однофазного трансформатора может достигать 1,8, для трехфазного более 1,9.
8. Посредством конечно-элементного моделирования магнитного поля силового трансформатора получены картины распределения силовых линий индукции магнитного поля и плотности вихревых токов в стали магнитопровода.