Введение

В условиях материального производства качество электрической энергии существенно влияет на технико-экономические характеристики и надежность работы электрооборудования. Провалы, колебания, отклонения, несимметрия напряжений, а также другие факторы приводят к экономическим потерям из-за неоптимальной работы электроприемников и увеличения брака продукции. Особая роль в ухудшении показателей качества электроэнергии (ПКЭ) принадлежит мощным электроприемникам с резкопеременными режимами энергопотребления. В России и за рубежом ведутся работы в направлении улучшения ПКЭ путем совершенствования существующих, а также создания и внедрения новых технологий и устройств.

В настоящее время значительное влияние на работу электроприемников (ЭП) оказывает несимметрия трехфазных напряжений и токов в электрической сети. Несимметричные режимы обусловливаются следующими причинами:

– неодинаковыми нагрузками фаз элементов сети, вызываемыми работой электроприемников с нестабильной нагрузкой фаз (например, дуговых сталеплавильных печей) и однофазных ЭП (особенно это заметно в сетях 0,4 кВ, хотя и в промышленности существуют однофазные ЭП достаточно большой мощности);

– неполнофазной работой линий, вызванной кратковременным отключением одной из фаз линии при коротких замыканиях или более долговременным отключением при пофазных ремонтах, наличием поперечных реакторов не во всех фазах линии и т. п.;

– неравенством фазных параметров линий. Небольшое отличие фазных параметров обусловлено различием расположения проводов на опоре. Для выравнивания фазных параметров на линиях большой длины и высоких напряжений (330-750 кВ) осуществляют транспозицию проводов (поочередное изменение расположения фаз. Несимметрия напряжений, обусловленная этой причиной, на порядок меньше первых двух.

Наиболее частой причиной несимметрии напряжений на практике является неравенство токовых нагрузок фаз. При этом различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную несимметрию. Характерной чертой систематической несимметрии является постоянная перегрузка одной из фаз; в этом случае производят выравнивание нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной на недогруженную фазу. Вероятностная несимметрия характеризуется попеременной перегрузкой то одной, то другой фазы (перемежающаяся несимметрия). В сетях 0,4 кВ городов и сельских населенных пунктов несимметрия напряжений вызывается в основном тем, что к этим сетям подключаются бытовые ЭП, являющиеся преимущественно однофазными, а в сетях более высоких напряжений – наличием у потребителей мощных однофазных нагрузок и трехфазных, но с неодинаковым потреблением по фазам. К последним относятся, в частности, дуговые сталеплавильные печи. Ток, проходящий по дуге каждой фазы, определяется расстоянием между электродом и шихтой. Обвалы шихты в период ее расплава не позволяют поддерживать одинаковые расстояния во всех фазах и их токи оказываются разными. Другим мощным источником несимметрии являются тяговые подстанции железнодорожного транспорта, электрифицированного на переменном токе, так как электровозы являются однофазными электроприемниками.

Снижение несимметрии напряжений может быть достигнуто снижением сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательностей и снижением значений самих токов.

Ввиду того, что сопротивление основных элементов сети (линии, трансформаторы) токам обратной последовательности равно сопротивлению токам прямой последовательности, снизить сопротивление участков, общих для токов симметричной и несимметричной нагрузки, можно практически только выделением нагрузок на отдельные трансформаторы.

Сопротивление токам нулевой последовательности может быть снижено за счет применения трансформаторов 6 - 10/0,4 со схемой соединения обмоток «треугольник – звезда с нулем» или «звезда – зигзаг» взамен применяющейся в большинстве случаев схемы «звезда – звезда с нулем». Для действующих трансформаторов сопротивление нулевой последовательности можно уменьшить, установив шунтовое симметрирующее устройство.

Симметрирование режима в сетях 6 - 10 кВ, являющихся трехпроводными с незаземленной нейтралью, состоит в устранении только токов обратной последовательности. Это достигается путем распределения суммарной мощности конденсаторных батарей между фазами сети таким образом, чтобы создаваемый ими ток обратной последовательности был по возможности ближе по значению к току обратной последовательности нагрузки и направлен противоположно. Для этого достаточно присоединить КУ к двум междуфазным напряжениям.

Снижение систематической несимметрии в сетях низкого напряжения осуществляют перераспределением нагрузок между фазами, а вероятностной несимметрии – с помощью устройств автоматического перераспределения нагрузок с тиристорным переключением.

Использующиеся в настоящее время средства снижения несимметрии в цеховых сетях имеют узкую целевую направленность, то есть для конкретного электроприемника применяется конкретный тип устройства стабилизации напряжения и снижения несимметрии, который для другого электроприемника уже не применить. Существуют и более универсальные средства симметрирования напряжений в трехфазной системе, но они имеют ряд значительных недостатков и, к тому же, являются дольно дорогостоящими.

Целью данной дипломной работы является разработка симметрирующего устройства с микропроцессорной системой управления, использование которого позволит повысить качество электроэнергии в цеховых сетях с резкопеременной нагрузкой.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

– исследование режимов работы промышленного цеха и некоторых, мощных цеховых электроприемников, характеризующихся резкопеременными режимами энергопотребления;

– изучение влияния несимметрии напряжения на различные электроприемники;

– анализ способов борьбы с несимметрией напряжения в цеховых сетях;

– изучение достоинств и недостатков различных методов борьбы с несимметрией напряжения;

– доказательство целесообразности внедрения симметрирующего устройства;

– разработка новой быстродействующей микропроцессорной системы управления (МПСУ) для симметрирующего устройства в виде комплекса программных и аппаратных средств;

– разработка структурной и принципиальной схем устройства;

– обоснование параметров регулирования, достаточных для обеспечения требуемого качества электроэнергии;

– расчет параметров тракта аналого-цифрового преобразователя МПСУ;

– расчет параметров трехфазного вольтдобавочного трансформатора симметрирующего устройства;

– экспериментальные исследования работоспособности устройства в программе-симуляторе и на опытном образце.

Объектом исследований являются процессы, вызванные несимметрией напряжения и оказывающие влияние на работу электроприемников.

Предметом исследования является разработка симметрирующего устройства с МПСУ.

Научная новизна заключается в обосновании необходимости разработки симметрирующего устройства с МПСУ и в его разработке.

Практическая ценность работы – использование разработанного устройства позволит повысить качество электроэнергии, в результате чего снизится возможность возникновения брака на промышленных предприятиях.