ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСШЕГО ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРИ РАБОТЕ СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются вопросы качества электроэнергии при использовании вольтодобавочного стабилизатора напряжения, подмагничивание обмотки которого коммутируется при помощи бесконтактных реле напряжения, выполненных на базе полупроводниковых приборов, а также длительность переходного процесса при коммутации электрической нагрузки, подключенной к выходу стабилизатора.

ABSTRACT

This article discusses the issues of power quality when using a booster voltage stabilizer, the magnetization of the windings of which are switched using non-contact voltage relays made on the basis of semiconductor devices, as well as the duration of the transient process when switching the electrical load connected to the output of the stabilizer.

Ключевые слова: показатели качества электроэнергии, стабилизатор напряжения, вольтодобавочный трансформатор.

Keywords: power quality indicators, voltage regulator, booster transformer.

В Узбекистане показатели качества электрической энергии в системе электроснабжения характеризуются одиннадцатью показателями, утвержденными Государственным стандартом Узбекистана O’zDSt 1044:2003 [1] и Межгосударственным стандартом ГОСТ 32144-2013 [6].

В данной статье рассматриваются два основных показателя качества электроэнергии – стабилизация номинального напряжения на клеммах потребителя и коэффициент гармонической составляющей напряжения при использовании вольтодобавочного стабилизатора напряжения, подмагничивание обмотки которого коммутируется ключами, выполненными на базе полупроводниковых приборов. Причинами ухудшения качества напряжения могут быть плохое техническое состояние линий и трансформаторных подстанций, частые коммутации электроемких установок, а также удаленность потребителей от источника питания [1; 9; 8; 15; 2; 10]. Одним из главных показателей качества электроэнергии является степень несинусоидальности кривой напряжения [1; 6; 9; 8; 11]. Развитие промышленной электрохимии с мощными электролизерами, применение электротяги на транспорте, мощных полупроводниковых регулирующих устройств в промышленности, массовое использование для освещения в городском хозяйстве и промышленности газоразрядных ламп, а также применение других электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками приводят к искажению формы тока промышленной частоты, т.е. появлению высших гармоник тока и напряжения [9; 8; 15; 17]. Возникновение высших гармоник вызывает дополнительные потери электроэнергии, нагрев электроприемников, увеличивает интенсивность износа изоляции кабелей, а также оказывает вредное влияние на режим работы вентильных преобразователей, вводит погрешность в работу связи, измерения, релейной защиты и автоматики вследствие возникновения резонансных явлений [1; 6; 8; 15; 2; 21].

В лаборатории кафедры «Электроснабжение» Ташкентского государственного технического университета имени Ислама Каримова были проведены экспериментальные исследования и сняты показания значений напряжения с использованием цифрового осциллографа типа LeCroy WaveRunner 64 Xi-A (США). Приведено экспериментальные исследование при изменении входного напряжения в пределах 176–241 В, при этом выходное напряжение изменяется в пределах 217–224 В. Результаты экспериментов показывают, что предложенный стабилизатор напряжения в зависимости от изменения напряжения сети обеспечивает стабильность напряжения на нагрузке, т.е. в пределах ±2% от номинального [9; 11; 17; 21; 4].

Как отмечалось выше, в связи с широким применением электроприемников, имеющих нелинейную вольт-амперную характеристику, являющихся источниками высших гармоник, ограничения несинусоидального напряжения является в настоящее время одной из основных проблем. Если значение высших гармоник не превышает 5% значения основной частоты, считается, что форма кривой напряжения имеет форму синусоиды [1; 6; 9; 11]. Однако исследования показали, что во многих случаях эти условия не соблюдаются [16; 13; 3]. Определение несинусоидального тока в цепях систем электроснабжения и его оценка являются одной из основных задач по улучшению качества электроэнергии [1; 6; 9; 3; 14; 12; 22]. Форму кривых стабилизированного напряжения определяют коэффициентом несинусоидальности К_нс [8; 15; 11; 17; 19; 20; 18; 7; 5]:

,

где U_ν – действующее значение напряжения n -й гармоники;

n – номер последней из учитываемых гармоник.

Значение U₁ при определении К_нс принимается равным номинальному напряжению сети U_н. Несинусоидальная переменная может быть представлена в виде гармонического ряда Фурье:

,

где A₁ – амплитуда первой гармонической составляющей исследуемой несинусоидальной переменной;

K₀, K₁, K₂, ... К_n – коэффициент гармоник ряда Фурье;

ν – порядковый номер гармоники;

ω = 2πf = 314 (1/с) – угловая частота первой гармоники;

n – порядковый номер последней из учитываемых гармоник.

Коэффициенты ряда Фурье определяются с помощью следующих выражений:

           ,

где a_ν; b_ν – действительная и мнимая составляющие амплитуд гармоник;

m – число ординат осциллограммы;

N – число интервалов разбиения одного периода несинусоидальной переменной.

Амплитуда ν-й гармоники: .

Начальная фаза гармоники: .

Коэффициент ν-й гармоники в процентах по отношению к амплитуде первой гармоники: .

Коэффициент несинусоидальности: .

На рис. 1 представлена осциллограмма кривых напряжения и тока на входе и выходе стабилизатора напряжения.

Рисунок 1. Осциллограмма кривых напряжения и тока на входе и выходе стабилизатора напряжения

Период осциллограммы разделен на двадцать равных участков, т.е. N = 20. Однако, учитывая симметрию осциллограммы, расчеты можно проводить для одного полупериода (m = 10).

Для вычисления коэффициента несинусоидальности необходимо вычислить А₁, А₂, А₃ и т.д.

Подкоренное значение для А₂, А₃ и т.д. определяется так же, как для А₁.

Определяем коэффициент гармоники:

; ; .

Коэффициент несинусоидальности периодической переменной:

.

Экспериментальные данные для вычисления коэффициента несинусоидальности представлены на рис. 2 и в табл. 1–3.

Рисунок 2. Осциллограмма выходного напряжения стабилизатора

Дальше измерения размеров ординаты приводятся в табл. 1.

Таблица 1.

Измерения размеров ординаты

Результаты расчета приведены в табл. 2–3.

Таблица 2.

Результаты расчета

Таблица 3.

Результаты расчета 

Коэффициент несинусоидальности на выходе рассматриваемого стабилизатора напряжения равен 1,021%, что соответствует допустимым значениям. При этом необходимо отметить, что форма кривых напряжения на входе и выходе устройства идентичны, т.е. рассматриваемый стабилизатор не вводит искажения формы кривых напряжения сети. Таким образом, цель и задачи, поставленные в данной научно-исследова-тельской работе, получены, т.е. разработано бесконтактное реле напряжения с выдержкой времени; для применения в системе управления коммутации подмагничивающих обмоток вольтодобавочного трансформатора.

Заключение: 1. Опытным путем при помощи осциллографа типа LeCroy WaveRunner 64 Xi-A испытан предложенный стабилизатор напряжения и определено, что использование данного стабилизатора приводит к уменьшению пускового момента активно-индуктивной нагрузки на 0,2 с.

2. Результаты испытаний изготовленного образца стабилизатора напряжения показали, что предложенная методика является достаточно точной и приемлемой для практического использования.

3. Анализ высших гармоник на выходе стабилизатора показывает, что коэффициент несинусоидальности на выходе рассматриваемого стабилизатора напряжения равен 1,021%. При этом рассматриваемый стабилизатор не вводит искажения формы кривых напряжения сети.

Список литературы:

1. Государственный стандарт Узбекистана O’z DSt 1044: 2003. «Методы измерений и анализа показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (протокол № 05-19 от 18 июля 2003 г.). – С. 27.
2. Измерение и анализ показателей качества электрической энергии потребителей промышленных предприятий / А.С. Семёнов, А.В. Самсонов, Ю.В. Бебихов, Г.А. Матул // Естественные и технические науки. – М., 2015. – № 6 (84). – С. 446–450.
3. Икромов М., Ибайдуллаев М.Я., Каримов Р.Ч. Обзор стабилизатора напряжения на основе транзисторов в системах электроснабжения // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2021. – № 4 (85) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11595.
4. Каримов Р. Обзор стабилизатора напряжения на основе тиристоров в системах электроснабжения // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2021. – № 9 (90) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12285.
5. Маматов С., Расулов А.Н., Каримов Р.Ч. Исследование феррорезонансного стабилизатора тока // Наука и современное общество: взаимодействие и развитие. – 2017. – Т. 2. – № 1 (4). – С. 66–70.
6. Межгосударственный стандарт ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (протокол № 55-П от 25 марта 2013 г.). – С. 15.
7. Расулов А.Н., Каримов Р.Ч. Сопоставление основных показателей стабилизированных источников тока // Молодой ученый. – 2015. – № 12 (92). – С. 277–282.
8. Суднова В.В. Качество электрической энергии : учеб. пособие. – М. : Энергосервис, 2000. – С. 80.
9. Управление качеством электроэнергии : учеб. пособие / И.И. Карташев, В.Н. Тульский [и др.]. 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд. дом МЭИ, 2017. – С. 347.
10. Усманов Э., Абдураимов Э., Каримов Р. Использование бесконтактных реле для улучшения качества электроэнергии // Вестник ТашГТУ. – Ташкент, 2012. – № 3–4. – С. 48–51.
11. Controlled switching circuits based on non-linear resistive elements (E3S Web of Conferences, 139, 01039, 2019) / R.Ch. Karimov, M.K. Bobojanov, A.N. Rasulov, E.G. Usmanov / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201913901039.
12. Development and experimental study of circuits of contactless device for automation of compensation of reactive power of capacitor batteries (E3S Web of Conferences, 289, 07012, 2021) / M.K. Bobojanov, R.Ch. Karimov, T.H. Qosimov, Sh.Dzh. Dzhuraev / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128907012.
13. Karimov R., Bobojanov M. Analysis of voltage stabilizers and non-contact relays in power supply systems (E3S Web of Conferences, 216, 01162, 2020) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021601162.
14. Karimov R.Ch. Improvement of capacitor battery power regulation circuit based on contactless switching devices // Problems of Energy and Soerces Saving. – Uzbekistan, Tashkent, 2021. – № 2. – P. 145–154 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://t.me/uzenergysaving.
15. Karimov R.Ch. Study of the state of the issue of increasing the quality of electric energy in the power supply systems (E3S Web of Conferences, 216, 01163, 2020) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021601163.
16. New solutions for controlled compensating devices (E3S Web of Conferences, 289, 07021, 2021) / R.Ch. Karimov, A. Egamov, Sh.Dzh. Dzhuraev, B. Uzakov / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128907021.
17. Non-contact voltage relay for switching windings of a boost transformer (E3S Web of Conferences, 139, 01079, 2019) / E. Usmanov, A. Rasulov, M. Bobojanov, R.Ch. Karimov / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201913901079.
18. Rasulov A.N., Karimov R.Ch. Operating mode of the stabilizer of current on active and inductive loading // European Science Review. – 2015. – № 9–10. – P. 140–143.
19. Rasulov A.N., Karimov R.Ch. The contactless relay of tension in system of power supply // Eastern European Scientific Journal. – 2015. – № 4. – P. 174–178.
20. Rasulov A.N., Karimov R.Ch. The contactless thyristor device for inclusion and shutdown of condenser installations in system of power supply // Eastern European Scientific Journal. – 2015. – № 4. – P. 179–183.
21. Resistive time delay switches / M.K. Bobojanov, E.G. Usmanov, E.H. Abduraimov, R.Ch. Karimov // Scientific journal «European Science Review». – Vienna (Austria), 2018. – № 1–2. – P. 210–212.
22. Sadullaev M., Bobojanov M.K., Karimov R.Ch. Creation and experimental study of a non-contact device for automatic power control of capacitor banks // Problems of Energy and Resource Saving. – Tashkent, 2021. – № 3–4.