научная статья по теме АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАТКОНА - ЭЛЕМЕНТА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАТКОНА - ЭЛЕМЕНТА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ»

№ 2

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 621.3:519:620.9.001.5(04, 07)

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАТКОНА - ЭЛЕМЕНТА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

© 2015 г. П.А. БУТЫРИН, Г.Г. ГУСЕВ, Д.В. МИХЕЕВ, Ф.Н. ШАКИРЗЯНОВ

Национальный Исследовательский Университет "Московский энергетический институт "

E-mail: ButyrinPA@mpei.ru

Рассматривается алгоритм определения параметров фильтрокомпенсирующего устройства (ФКУ), реализованного на базе нового элемента электрических цепей — каткона. Каткон представляет собой двухполюсник, состоящий из двух параллельно намотанных и гальванически не связанных катушек и обладающий индуктивными и емкостными свойствами. ФКУ на базе каткона компенсирует реактивную мощность на основной гармонике и фильтрует высшие гармоники, то есть осуществляет функции управления качеством энергии электрической сети. В статье дано описание конструкции подобного ФКУ, его схема замещения, алгоритм определения параметров ФКУ, позволяющий выбирать его компоновку и конструирование. Приводятся данные физических экспериментов с катконом, подтверждающие адекватность предлагаемого алгоритма.

Ключевые слова: катушка-конденсатор, фильтрокомпенсирующее устройство, оптимизация режимов.

THE ALGORITHM OF DEFINITION OF PARAMETERS OF KATKON -ELEMENT OF OPTIMIZATION OF ELECTRICAL NETWORKS MODES

P.A. BUTYRIN, G.G. GUSEV, D.V. MIKHEEV, F.N. SHAKIRZIANOV

National Research University, Moscow Engineering Institute E-mail: ButyrinPA@mpei.ru

In the article authors consider algorithm of defining of basic parameters of filter compensative device based on new element of electrical circuits — katkon. Katkon is a two-terminal network consisting of two parallel coiled and electrically unconnected coils and having inductive and capacitive properties. Filter compensative device based on katkon realizes reactive power compensation on the industrial frequency and filtering of high harmonics: in the other words it realizes functions of energy quality management in electrical network. The design of such filter compensative device, its equivalent circuit and algorithm of defining of its parameters that allows choosing its layout and design are described in the article. The results of physical experimental studies with katkon that confirm the adequacy of the proposed algorithm are demonstrated.

Key words: coil-capacitor, filter compensative device, optimisation of modes.

ВВЕДЕНИЕ

Каткон (катушка-конденсатор) — новый элемент электрических цепей, представляющий собой две гальванически не связанные, параллельно намотанные катушки из фольги или проводов. В одновитковом исполнении каткон можно представить в виде, изображенном на рис. 1. Здесь начало первой катушки (Н1) и конец второй катушки (К2) подключены к внешней цепи, представленной в виде источника питания с напряжением ип, а конец первой катушки (К1) и начало второй катушки (Н2) остаются свободными. Ток каждой из двух одновитковых катушек зависит от координаты х, т.е.

= ^(х), ;2 = ;'2(х) так, что при х = 0 ток первой катушки равен входному току /:(0) = 'вх, а ток второй катушки равен нулю ;2(0) = 0. При х = I ток первой катушки становится равным нулю ^(1) = 0, ток второй катушки будет равен входному току каткона ;2(/) = ;вх. Таким образом, каткон представляет собой устройство с распределенными параметра-

Рис.1

Рис.2

¿вх H1 W Lol a -ЧИ I-^^-о

K2

-O

-o b

Рис.3

Gol

K2

-O-

Рис.4

ми. Математическое моделирование такого устройства приведено в [1]. В [2] дано описание фильтрокомпенсирующего устройства (ФКУ), созданного на базе каткона (рис. 2). Здесь 1 и 2 — катушки из проводов, хотя реально их следует выполнять из фольги, 3 — магнитопровод, канализирующий создаваемый катушками магнитный поток Ф. Наличие немагнитного зазора в магнитопроводе позволяет изменять индуктивные свойства каткона и одновременно снижать влияние нелинейности характеристики магнитопровода. Наличие емкости между катушками позволяет компенсировать реактивную мощность по основной частоте напряжения, а емкость в сочетании с индуктивными свойствами катушек позволяет реализовать фильтрацию высших гармоник питающего напряжения. В [2, 3] отмечены достоинства такого ФКУ: лучшие массогабаритные показатели, меньшая стоимость, хорошая надежность, в [3, 4] рассмотрены вопросы математического моделирования ФКУ. В данной статье рассматриваются вопросы проектирования такого ФКУ как элемента повышения качества режимов электрических сетей.

Схема замещения каткона

Для проектирования ФКУ на основе каткона рассмотрим его особенности:

— намагничивающий ток магнитопровода не зависит от координаты x, причем (ii + ¿2) = ¿вх = const;

— параметры каждой из катушек идентичны, то есть их индуктивность и активное сопротивление равны между собой L01 = L02 = L0, RL1 = RL2 = R0, и исполнение их та-

кое, что емкость между ними на единицу длины C0 много больше межвитковой емкости и емкости на землю;

— равенство числа витков катушек w1 = w2 = w;

— коэффициенты связи между отдельными витками равны единице;

— потоки в отдельных витках равны, и не зависят от координаты х, т.е. Ф1 = Ф2 = Ф = = wMl ■ (i1 + i2) = wMli = const;

— зависимости токов от координаты х i1(x) и i2(x) носит линейный характер при малых значениях величины \pl\ = 2R0{j&C0 + G0)|, учитывающей потери;

— нелинейность кривой намагничивания реактора может быть учтена в эквивалентной схеме замещения, приведенной относительно входа ФКУ, в виде элемента Ь0эк1 на основе метода усреднения.

С учетом этих особенностей на рис. 3 дана схема замещения ФКУ, здесь R0l (Ом) — сопротивление ФКУ, определяющее потери в проводах; L0l (Гн) — индуктивность рассеяния ФКУ; C0l (Ф) — емкость ФКУ; Ост1 (См) — активная проводимость магнитопро-вода ФКУ; Вст1 (Ф) — реактивная проводимость магнитопровода ФКУ.

Схему рис. 3 можно преобразовать к более простому виду, данному на рис. 4, где R03J (Ом) — резистор, сопротивление которого определяет потери в ФКУ; L03J (Гн) —

эквивалентная индуктивная катушка ФКУ; C0l (Ф) — эквивалентный конденсатор ФКУ. 0

Установившийся режим в ФКУ определяется напряжением питания сети ип и током iвх.

В схемах рис. 3, 4 не учитываются потери, обусловленные несовершенством диэлектрика, так как они несоизмеримо меньше по сравнению с потерями в проводниках и в магнитопроводе.

Алгоритм определения параметров ФКУ на базе каткона

1. Вводятся исходные данные, как задание, обеспечивающее оптимальный режим электрической сети: номинальное напряжение электросети U, промышленная частота f, необходимое для компенсации значение реактивной мощности QC, номер гармоники k, которую необходимо подавить. На основе заданного коэффициента k-ой гармоники кг = (Uk/U) • 100, находится допустимое значение напряжения этой гармоники в сета Uk.

2. Выбирается принципиальная схема каткона. Устанавливается его конструктивное исполнение.

3. Выбираются конструкционные материалы для магнитопровода (марка стали и характеризующие ее параметры согласно зависимостям B(H), Q0(B), P0(B)) и обмоток (тип алюминиевой фольги — проводников и параметры пленки — диэлектрика).

4. Вычисляются параметры ФКУ согласно схеме рис. 4.

4.1. Определяются значения емкости конденсатора C и его сопротивления, как устройства, установка которого обеспечивала бы выполнение задания п. 1 по компенсации реактивной мощности Qc на промышленной частоте f:

с = ,Ф; xc = —, Ом. ю U юС

4.2. Значения параметров элементов L03J и C0l в принятой схеме замещения ФКУ (рис. 4) находятся с учетом двух ограничений, накладываемых на них необходимостью обеспечения режимов:

— резонанса на частоте k-й гармоники fk, из условия существования которого следует выражение индуктивности ФКУ:

- ~—. 2 - -' ГН'

^Оэк1 --2-' Гн;

(2f )2 Col

— компенсации реактивной мощности согласно заданию п. 1, т. е. из рассмотрения равенства сопротивления п. 4.1 и входного реактивного сопротивления цепи рис. 4 на промышленной частоте f

xc = XC ol - •

4.3. Значение емкости конденсатора C0l вычисляется из условия выполнения режима компенсации реактивной мощности п. 4.2, полагая, что сопротивление реактора на частоте f учитывает индуктивность, обеспечивающую резонанс на к-й гармонике. Расчет проводится из условия XC0l = XC + ХЬ0эк1. Это условие в развернутой форме:

= — + 2nfL0экl + 2nf-Ц-.

2nfCol 2nfC иэк 2nfC (2nfk)2Col

Откуда выражение для вычисления значения емкости конденсатора ФКУ:

Col = C-f^' Ф f + fk

и далее индуктивности реактора ФКУ:

х

(2nfk )2 Col'

4.4. Значение Я0эк определяется при преобразовании схемы замещения (рис. 3) в эквивалентную (рис. 4) с учетом параметров и характеристик выбранных материалов.

5. Расчет режимов функционирования ФКУ по схеме на рис. 4. На основе принципа суперпозиции выполняется расчет в комплексной форме для двух режимов:

— режим резонанса напряжений для подавления высших гармоник в компенсируемой электросети;

— режим компенсации реактивной мощности на промышленной частоте электросети с целью повышения коэффициента мощности.

5.1. Определение значений входного тока и активных мощностей, потребляемых в ^0экв на каждой из гармоник:

j _ Uп(ю) д. j _ U п(к) д. . _. . А

1 вх(ш) — 7 ' д; L вх(к) — 7 ' д; 'вх — 'вх(ш) + 'вх(к), д.

Z вхэк(ю) Z вхэк(к)

ДР(®) = Iн^экИ' Вт; AP(k) = I(кЛэкда' Вт; AP = ДРЫ + ДР^ Вт.

5.2. Определение значений напряжения на каждом и-м элементе для каждой гармоники:

Un(m) = 1 вх(ю)^и(ю)' В' Un(k) = 1 вх^^и^)' В' un = un(ai) + un(k)' В.

6. Выбор и уточнение конфигурации компоновки и исполнения магнитопровода и каткона. На основе полученных данных и расчетов в пп. 3—5 вычисляются массогаба-ритные параметры ФКУ: масса, длина, площадь сечения, объем, немагнитный зазор магнитопровода; габаритные размеры и количество витков каткона.

Длина немагнитного зазора реактора 8 определяется путем установления зависимости 8(4). Для этого рассматривается выражение в соответствии с законом полного тока:

'вх^)))) -

f - I л

p.ow2S Klw 2Sy

•У,

Таблица 1

Величина ш к = 5

Тока /вх, А 69 58

Сопротивление йоэк, Ом 0,095 0,448

Напряжение ик, В 6,523 25,98

Потери мощности на фа

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»