Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальний заклад

Донецький національний технічний університет

УДК 621.3.05:519.2

Спеціальність: 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗВИТОК МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМІВ І ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ СУМІСНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ ОСВІТЛЕННЯ

Ленко Владлена Геннадіївна

Донецьк - 2009

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Державному вищому навчальному закладі "Донецький національний технічний університет" Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Курінний Едуард Григорович, ДВНЗ "Донецький національний технічний університет", професор кафедри електропостачання промислових підприємств і міст, м. Донецьк

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Саєнко Юрій Леонідович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри електропостачання промислових підприємств, м. Маріуполь;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Шполянський Олег Григорович, Інститут електродинаміки НАН України, старший науковий співробітник відділу оптимізації систем електропостачання, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 12 листопада 2009 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02 при Державному вищому навчальному закладі "Донецький національний технічний університет" за адресою: Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-й навчальний корпус (ауд. 203).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного вищого навчального закладу "Донецький національний технічний університет" за адресою: Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розіслано 25 вересня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент А.М. Ларін

Анотації

Ленко В.Г. Розвиток методів розрахунку параметрів режиму і електромагнітної сумісності електричних мереж освітлення - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - Електричні стації, мережі і системи. -ДВНЗ "Донецький національний технічний університет", Донецьк, 2009.

В дисертації розглянуті питання розрахунку електричних навантажень і оцінювання ЕМС в електричних мережах освітлення. Запропоновано новий метод розрахунку навантажень, який використовує криві струмів електроприймачів. Метод дозволяє обґрунтовано вибирати перерізи провідників, розраховувати втрати потужності і показники ЕМС. Виконано параметричну ідентифікацію моделей ЕМС ламп для оцінювання впливу відхилень і коливань напруги. Запропоновано універсальний показник - дозу пульсації, який дозволяє уникнути завищення вимог до ЕМС за пульсацією освітлення. Розроблено методику комплексного оцінювання ефективності застосування енергозберігаючих ламп з урахуванням показників ЕМС. Основні результати праці апробовано у проектних інститутах, впроваджено в навчальний процес, можуть бути використані для удосконалення стандарту на ЕМС і Будівельних норм в частині проектування електропостачання об'єктів цивільного призначення.

Ключові слова: електромагнітна сумісність, електричні мережі, електричні навантаження, енергозбереження, параметрична ідентифікація, методи розрахунку.

Ленко В.Г. Развитие методов расчета параметров режима и электромагнитной совместимости электрических сетей освещения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - Электрические станции, сети и системы. - ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет", Донецк, 2009.

В диссертации рассмотрены вопросы расчета электрических нагрузок и оценивания ЭМС в электрических сетях освещения.

Предложен новый "прямой" метод определения расчетных нагрузок, заключающийся в суммировании мгновенных значений токов (кривых токов) ламп каждой фазы и нулевого провода. Исходные для расчета кривые токов ламп найдены экспериментально. Для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) предложена типовая кривая в относительных единицах (о.е.). Показано, что при использовании КЛЛ сечение проводов следует выбирать по току нулевого провода, который даже при равномерном распределении ламп между фазами значительно превышает фазные токи. По суммарным кривым токов определяются требуемые показатели режимов: мощности - активная, реактивная, искажений, пульсирующая, скрытая; потери мощности и напряжения; токи симметричных и гармонических составляющих. Порядок расчетов иллюстрируется на примере идеализированных кривых тока ламп с прямоугольными импульсами, а также реальных кривых.

Экспериментальным путем найдены статические характеристики ламп любого вида по световому потоку, аппроксимация которых выполнена известными выражениями: степенными для ламп накаливания (ЛН) и линейными - для КЛЛ и люминесцентных ламп (ЛЛ). Показана бульшая устойчивость КЛЛ к отклонениям напряжения. Для оценки ЭМС по колебаниям напряжения предложено принимать динамические модели ламп в виде инерционных звеньев первого порядка. Коэффициенты передачи звеньев выбираются по статическим характеристикам. Показана некорректность существующих динамических моделей, для определения параметров которых использовалась низкочастотная модуляция напряжения с несущей частотой 50 Гц. Постоянные времени предложенных моделей получены путем коррекции погрешностей низкочастотной модуляции. Предложена динамическая модель ламп для оценивания ЭМС по пульсации освещенности. Введен универсальный показатель - доза пульсации, учитывающая форму и частоту пульсации.

В общем случае срок службы ламп и среднее значение светового потока предложено вычислять как математические ожидания процессов на выходе статических моделей, что позволило распространить на случайные процессы изменения напряжения известные соотношения между производительностью труда и средним значением светового потока. Показано, что при применении КЛЛ уменьшение производительности при уменьшении напряжения происходит в значительно меньшей мере.

Предложено оценивать ЭМС по дозе фликера напряжения с учетом динамических моделей фактических ламп, а не стандартной ЛН 60 Вт. Получено аналитическое решение для дозы фликера при гармонических колебаниях напряжения, что позволило выполнить количественную оценку эффективности ламп по этому показателю. Показано, что ЛН меньшей (большей), чем 60 ВТ, мощности создают бульшую (меньшую) дозу фликера; ЛЛ и особенно КЛЛ - меньшие дозы.

Допустимость пульсации предложено оценивать по дозе пульсации, допустимые значения которых определены по существующим нормам на коэффициент пульсации. Показано, что коэффициент пульсации завышает требования к ЭМС. Для экономических оценок известные зависимости производительности от коэффициентов пульсации при разных частотах пульсации обобщены на пульсации любой формы - путем перехода к зависимостям производительности от дозы пульсации.

Показана необходимость совершенствования Строительных норм Украины путем их ориентации на преимущественное применение КЛЛ, перехода к прямому методу расчета электрических нагрузок, исключения занижения сечения нулевого провода, введения дозы пульсации вместо коэффициента пульсации, дополнения методами расчета доз фликера и доз пульсации.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, электрические сети, электрические нагрузки, энергосбережение, параметрическая идентификация, методы расчета.

Lenko V.G. Development of calculation methods of mode parameters and electromagnetic compatibility of electrical lighting networks. - The manuscript.

Thesis of the scientific degree of the candidate of technical sciences by speciality 05.14.02 - Power station, networks and systems. - Donetsk National Technical University, Donetsk, 2009.

Questions of electric load calculation and EMC estimation in lighting networks are considered in the thesis. A new method of calculated load estimation is proposed, which uses curves of collector currents and allows valid conductor session choice, power loss and EMC attributes computation. Parametrical identification of lamps' mathematical models is implemented to estimate influence of voltage deviations and fluctuations. A new attribute is proposed, `pulse dose', which allows to avoid overrated demands to EMC in illumination pulse. Methods of complex estimation of energy-saving lamps usage effectiveness are developed, with regards to EMC attributes. Basic results of thesis are certified in planning institutes, adopted in study process and can be used to improve EMC standards and building norms in designing of commercial objects power supply.

Keywords: electromagnetic compatibility, electrical networks, electric loads, energy saving, parametrical identification, calculation methods.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Освітлювальне навантаження складає суттєву долю (у середньому 15 %) в електропостачанні міст і промислових підприємств. При проектуванні й експлуатації електричних мереж освітлення потрібно мати достовірні дані про параметри режимів і електромагнітної сумісності (ЕМС): завищення вимог приводить до необґрунтованого збільшення капітальних вкладень, а заниження - до збільшення втрат напруги й електроенергії, зменшення продуктивності праці й погіршення здоров'я людей. Це робить задачу розрахунків параметрів режимів і ЕМС актуальною для практики. В останній час актуальність ще більше зросла у зв'язку з переходом від ламп розжарювання (ЛР) і люмінесцентних ламп з дроселями (ЛЛ) до газорозрядних ламп з електронним керуванням, які далі називаються компактними люмінесцентними лампами (КЛЛ). Їх особливістю є імпульсний характер навантаження - як і у сучасних комп'ютерів, телевізорів, тощо.

У розробку методів розрахунку показників режимів і ЕМС великий внесок зробили Шидловський А.К., Кузнецов В.Г., Вагін Г.Я., Жаркін А.Ф., Жежеленко І.В., Зорін В.В., Курінний Е.Г., Саєнко Ю.Л., Лютий О.П., Островський Е.П., Brauner G., Mirra S. та ін. Проте методи, що існують, виходять з характеристик симетричних і гармонічних складових окремих електроприймачів, які в практиці визначаються з похибками. При підсумовуванні складових від групи електроприймачів це приводить до неконтрольованої методичної похибки.

Широке розповсюдження КЛЛ в Україні стримується відсутністю комплексного підходу до оцінки їх ефективності: враховуються лише активна потужність, строк служби і вартість. Саме велика вартість у деяких випадках робить КЛЛ нібито неконкурентоспроможними. Насправді ж об'єктивність оцінок може бути забезпеченою тільки за додатковим врахуванням параметрів ЕМС.

Дійсно, з одного боку, кондуктивні завади у мережі (відхилення і коливання напруги) приводять до погіршення зору людини і зменшення продуктивності її праці. До таких саме наслідків веде й пульсація освітлення Пульсацію віднесено до показників ЕМС, бо вона залежить від параметра режиму електричної мережі - частоти, а за наслідками впливу на людину є аналогічною дозі флікеру, яка нормується у стандартах: ГОСТ 13109-97 країн СНД і європейському ІЕС 1000-4-15., яка створюється лампами при живленні їх на частоті 50 Гц. З іншого боку, лампи завантажують мережі та створюють в них втрати, несиметрію і несинусоїдальність напруги. Для ламп різного виду економічні і соціальні втрати від погіршення ЕМС будуть різними, що й потрібно враховувати при обґрунтуванні доцільності переходу до КЛЛ.

Таким чином, основне наукове протиріччя полягає в тому, що практика потребує достовірності оцінки техніко-економічної ефективності електричних мереж освітлення, а відповідні методи аналізу й розрахунку параметрів режимів ЕМС не є достатньо розробленими.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках планових досліджень ДВНЗ "Донецький національний технічний університет" за держбюджетною темою "Електромагнітна сумісність в мережах електропостачання промислових підприємств і міст" (2005-2010 р.р., шифр теми Н-30-05, № держреєстрації 0106U003497) відповідно до Координаційного плану НАН України за проблемою "Наукові основи електроенергетики".

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка методів розрахунку параметрів режиму і ЕМС електричних мереж освітлення. Для досягнення цієї мети потрібно розв'язати наступні задання:

· розробити загальний метод розрахунку електричних навантажень і втрат напруги від групи ламп з нелінійними вольт-амперними характеристиками;

· визначити параметри статичних моделей "напруга - світловий потік" ламп різного виду;

· оцінити похибки імітації гармонічних коливань напруги методом низькочастотної модуляції у діапазоні частот вище 6 Гц і вибрати вид та параметри динамічних моделей ламп для оцінювання ЕМС за дозою флікеру напруги;

· ввести універсальний показник ЕМС за дозою пульсації освітлення, який враховує її форму і частоту та узагальнити відомі дослідні данні щодо зменшення продуктивності праці при гармонічних пульсаціях на пульсації будь-якої форми;

· розробити методи оцінювання ЕМС ламп за наявністю завад в електричній мережі (відхилення і коливання напруги), зокрема визначити аналітичний розв'язок задачі про дозу флікеру при гармонічних коливаннях напруги;

· розробити методи оцінювання ЕМС за завадами, що створюються лампами (несиметрія і несинусоїдальність напруги, пульсація освітлення).

Об'єкт дослідження - процеси зміни за часом параметрів режимів і ЕМС в електричних мережах освітлення.

Предмет дослідження - методи розрахунку електричних навантажень і показників ЕМС та моделі ламп, які необхідні для вибору перерізів провідників та оцінювання ЕМС в проектуванні та експлуатації електричних мереж освітлення.

Методи дослідження. Параметри режиму ламп одержано експериментально. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях ТОЕ і теорії автоматичного керування. Достовірність і обґрунтованість результатів роботи забезпечено адекватним використанням математичних методів, виконанням експериментальних досліджень із застосуванням цифрового осцилографа RECON, малою похибкою апроксимації характеристик ламп (статичних - не більш ніж 1,38 %, динамічних - не більше 6,37 %), розрахунком параметрів режиму ЕМС по кривих миттєвих значень струмів (далі - кривих струмів), коли методична похибка є відсутньою.

Наукова новизна отриманих результатів:

· запропоновано метод розрахунку електричних навантажень від групи ламп, який відрізняється використанням кривих струмів ламп і дозволяє визначати параметри режиму освітлювальних мереж без методичної похибки;

· запропоновано динамічні моделі ламп, новизну яких зумовлено корекцією похибок імітації гармонічних коливань напруги шляхом низькочастотної модуляції при визначенні частотних характеристик ламп, що дозволяє забезпечити достовірність оцінювання доз флікеру напруги в електричній мережі;

· отримано аналітичний розв'язок задачі про дозу флікеру при гармонічних коливаннях напруги, який на відміну від існуючих чисельних методів дозволяє оцінювати ЕМС і ефективність застосування КЛЛ за цим показником без методичної похибки.

Практичне значення отриманих результатів. Метод розрахунку електричних навантажень по кривих струму дозволяє обґрунтовано вибирати переріз проводів мережі і розраховувати параметри ЕМС. Методи розрахунку показників ЕМС дозволяють обґрунтовувати більш широке застосування КЛЛ, що забезпечує енергозбереження, виключає зменшення продуктивності праці й погіршення зору людини. Методику розрахунку навантажень електричних мереж освітлення апробовано в енергетичній компанії "Трансенерго" (м. Одеса) при проектуванні системи електропостачання мікрорайону і прийнято для апробації в АТЗТ "Донбасцивільпроект" і приватним підприємством "Старт-94" (м. Донецьк). Пропозиції щодо удосконалення будівельних норм ДБН В.2.5-23-2003 і ДБН В.2.5-28-2006 направлено в Міністерство регіонального розвитку та будівництва України. Результати дисертації використано в навчальному процесі ДонНТУ при читанні лекцій з дисциплін "Електропостачання промислових підприємств" і "ЕМС", а також в практичних заняттях з дисципліни "ЕМС".

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення одержано автором самостійно, а саме: методи розрахунку енергетичних характеристик мереж освітлення з нелінійним навантаженням, метод розрахунку електричних навантажень по кривих струму ламп, параметрична ідентифікація статичних і динамічних моделей ламп за відхиленнями й коливаннями напруги, удосконалення динамічної моделі лампи за пульсацією освітлення, методи розрахунку доз флікеру й пульсації (зокрема аналітичний розв'язок задачі про дозу флікеру від гармонічних коливань напруги).

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися на Міжнародній науково-технічній конференції "Фізичні та технічні проблеми світлотехніки і електроенергетики" (Україна, м. Харків, 2005 р.), ХХХIV Міжнародній конференції "Telecommunication and Safety Systems in Mining" (Польща, м. Щирк, 2006 р.), IХ Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми сучасної електротехніки - 2006" (Україна, м. Київ, 2006 р.), ХХVIII Всеросійському семінарі "Кибернетика энергетических систем" (Росія, м. Новочеркаськ, 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації" (Україна, м. Кременчук, 2007 р.), семінарі "Статистична динаміка електроенергетичних систем" Наукової ради НАН України з комплексної проблеми "Наукові основи електроенергетики" (Україна, м.м. Київ-Донецьк, 2006, 2007 р.р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 наукових праць, з них 6 статей у фахових наукових виданнях(2 - в журналах, 4 - в збірниках), 1 доповідь на міжнародній конференції, 1 доповідь на всеросійському семінарі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел із 109 найменувань і 3 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 199 сторінок, у тому числі 165 сторінок, 19 рисунків на окремих сторінках, 45 рисунків і 6 таблиць за текстом.

Основний зміст роботи

У першому розділі "Стан питання" розглянуто положення і результати існуючих наукових праць і нормативних документів, що безпосередньо стосуються дисертації. Використовуються: загальна модель ЕМС (зважувальний фільтр ЗФ, блок квадратичного інерційного згладжування КІЗ), статичні моделі ламп, флікер-модель ІЕС і доза флікеру, показники несиметрії і несинусоїдальності з ГОСТ. Потребують уточнення або розвитку: метод розрахунку навантажень від групи ламп, коректність використання статичних моделей ламп за квадратами напруг, розв'язання невизначеності поняття за ГОСТ, коректність імітації коливань напруги шляхом низькочастотної модуляції, динамічні моделі ламп за коливаннями напруги, динамічні моделі пульсації, складові комплексного підходу до оцінювання ефективності КЛЛ.

У другому розділі "Методи розрахунку електричних навантажень" досліджено навантаження ламп і розроблено метод розрахунку сумарних навантажень по кривих струму ламп ("прямий метод"). Використовуються припущення, які є загальноприйнятими в теорії електричних навантажень: електрична мережа вважається симетричною і моделюється зосередженими параметрами; на шинах джерела живлення відсутні відхилення частоти і напруги, несиметрія і несинусоїдальність напруги; криві струмів не залежать від напруги²Інваріантність кривих струмів притаманна потужним системам електропостачання - для автономних систем таке припущення не завжди може бути прийнято. і визначаються при номінальній напрузі U_н, номінальній частоті f = 50 Гц тривалістю циклу t_f = 0,02с і кутовою частотою

Вихідними даними для існуючих методів є активна Р і реактивна Q потужності, а також діючі значення І_п і фази гармонік порядку п 2. Параметри гармонік для кожної лампи розраховуються з деякими похибками - тим більшими, чим більшою є несинусоїдальність струму лампи. При підсумовуванні індивідуальних параметрів режиму від групи ламп похибки неконтрольовано зростають, що являє собою методичну похибку таких методів розрахунку.

Для виключення цієї похибки у якості вихідних даних запропоновано використовувати криві струмів і(t) ламп Якщо до мережі освітлення підключено й інші електроприймачі, то вони враховуються своїми кривими струмів.. Тоді сумарний фазний струм від т ламп, які підключено до фази, становить

У нульовому проводі протікає струм

Ці дві принципово точні формули виражають суть прямого методу. Необхідні показники режиму й ЕМС визначаються за сумарними кривими струмів також з деякими похибками, але ніякого їх збільшення не відбувається, оскільки немає процедури підсумовування індивідуальних параметрів режиму.

Для якісного аналізу розглянуто ідеалізовану криву струму лампи у вигляді періодичної послідовності прямокутних імпульсів величиною В і тривалістю _и. Цей випадок є зручним тим, що для нього існує аналітичний розв'язок. При _и = const діючі значення струму, першої (індекс f) і п-ої гармонік не залежать від абсциси середини позитивного імпульсу відносно нуля осі часу кривої напруги фази:

де - відносна тривалість імпульсу.

Фази усіх гармонік є однаковими і дорівнюють

Від t_п не залежить і несинусоїдальна складова струму

Потужність зручно аналізувати у системі відносних одиниць (в.о., індекс ), базовою величиною якої є повна потужність У цій системі повна потужність, повна потужність першої гармоніки і потужність спотворень відповідно:

не залежать від t_п. Навпаки, активна і реактивна потужності

від положення імпульсів залежать. Найбільша активна потужність досягається при коли реактивна потужність дорівнює нулю. При реактивна потужність лампою генерується, а при - споживається.

Особливості розрахунку навантажень від групи ламп проілюстровано на прикладі рівномірного розподілу між фазами трьох ламп з однаковими ідеалізованими кривими струму. При імпульси струмів не перекриваються, тому ефективне значення I_N струму нульового проводу у разів є більшим, ніж струм фазного проводу - на відміну від ЛР, коли струм I_N = 0.

Аналогічні висновки є справедливими і для реальних КЛЛ, криві струмів яких було отримано експериментально. Приведено осцилограму 1 лампи потужністю Р_н= 21 Вт (OSRAM, Германія). Вона генерує 7,2 вар реактивної потужності і створює 22,2 ВА потужності спотворень, а повна потужність дорівнює 30,5 ВА. Струми від першої до дев'ятої гармонік змінюються від 0,0965 до 0,0271 А. Діюче значення струму 0,133А у 1,43 рази перевищує активну складову струму і в 1,38 рази - струм першої гармоніки. Косинус фі дорівнює 0,946, а коефіцієнт потужності - 0,687.

З'ясовано, що у в.о. - по відношенню до активного струму І_а=Р_н/U_н лампи - криві струмів мають невеликий розкид. Це відкриває шлях до визначення невеликої кількості типових кривих струмів, що значно зменшує обсяг вихідної інформації.

Показано некоректність вказівок ДБН В.2.5-23-2003 щодо розрахунку навантажень при переході на КЛЛ. Так, у розділі 4 цих норм розрахунок рекомендовано виконувати тільки за активною і реактивною потужностями, а в п. 6.12 допускається, що при рівномірному розподілі переріз N-провідника може бути вдвічі меншим, ніж фазного. Проте, наприклад, при рівномірному розподілі трьох КЛЛ 21 Вт струми у кожній фазі є однаковими і мають зсуви 120 між суміжними фазами. Їх сума дає струм нульового проводу з діючим значенням 0,216 А, яке в 1,62 рази є більшим за фазний струм. Якщо ж враховувати тільки Р і Q, то розрахунковий струм L-провідника дорівнював би усього 0,0965 А, а нульового - нулю. У зв'язку з цим запропоновано зміни до ДБН: розрахунки виконувати прямим методом, а переріз вибирати за найбільшим навантаженням L- або N-провідника, приймаючи їх перерізи однаковими.

У третьому розділі "Математичний опис ламп при моделюванні електромагнітної сумісності" запропоновано моделі ламп для оцінювання ЕМС за різними показниками.

Для оцінювання ЕМС за відхиленнями напруги потрібно мати статичні моделі ламп. Звичайно вважають, що на вхід моделей надходить напруга U, а вихідними величинами є світловий потік Ф і строк служби Т. У загальному випадку у в.о. прийнято відомі степеневі функції:

а для ЛЛ і КЛЛ використовуються лінійні функції:

Параметри моделей за строком служби прийнято з літератури: для ЛР для ЛЛ і КЛЛ Параметри моделей за світловим потоком для ламп різного виду і фірм-виробників знайдено експериментально: ЛР 60 Вт з флікер-моделі має = 3,8; у КЛЛ першого покоління у середньому а = 1,6; Ф ₀ = 0,6, а у сучасних КЛЛ а - від 1,17 до 0,46 і Ф ₀ - від 0,167 до 0,54. Виконано лінеаризацію моделей ЛР і досліджено її похибки.

Для оцінювання ЕМС за коливаннями напруги потрібно знати динамічні моделі ламп, на вхід яких надходить процес Для отримання параметрів моделей Brauner G. і Hennerbichler C. застосували низькочастотну модуляцію синусоїдального процесу 50 Гц з частотою модуляції . Відомо, що модуляція дає малу похибку за умови Гц. Ця умова виконується при частотах коливань, менших за 5-6 Гц, у той час як частота коливань досягає 35 Гц. Наприклад, при модуляції частотою 25 Гц замість гармонічних коливань з такою частотою процес має частоти 25, 50, 75, 125 і 150 Гц, а розмах коливань замість заданого збільшується на 14,5 %. Для частот коливань, які не в ціле число разів є меншими за 50 Гц, процес після модуляції взагалі не буде періодичним, а матиме різні розмахи через кожні 0,01 с.

Згідно з інерційним принципом оцінювання ЕМС, запропонованим Курінний Е.Г., динамічну модель будь-якої лампи, до проведення спеціальних досліджень, запропоновано у вигляді інерційної ланки з амплітудно-частотною функцією (АЧФ)

з коефіцієнтом передачі і сталою часу Т_л. Коефіцієнт передачі легко знаходиться при визначенні статичних характеристик: для ЛЛ і КЛЛ

Методична похибка імітації гармонічних коливань шляхом низькочастотної модуляції завищує дослідні значення АЧФ і приводить до складних моделей ЛЛ і КЛЛ: наприклад, АЧФ люмінесцентної лампи після частоти 25 Гц начебто є нескінченно зростаючою функцією, хоча вона повинна прямувати до нуля при 50 Гц, оскільки поняття коливання для частот 50 Гц і вище не має сенсу. Показано, що врахування цієї похибки шляхом зменшення ординат дослідної АЧФ все ж дозволяє прийняти просту модель - інерційну ланку. Корекція експериментальних даних, які отримані австрійськими вченими, дозволила знайти сталі часу динамічних моделей: для ЛР - 0,023 с, для галогенних ламп - 0,0558 с (при = 3,26), для ЛЛ - 0,0095 с (при а = 1,24), для КЛЛ - 0,0053 с.

За основу динамічної моделі ЕМС за пульсацією освітлення прийнято відому модель (Курінний Е.Г., Арутюнян А.Г.), у якій зважувальний фільтр (ЗФ) являє собою інерційну ланку з АЧФ

,

де k_п - коефіцієнт передачі, Т_п - стала часу, _п - частота пульсації. Удосконалення моделі полягає у наступному.

По-перше, за аналогією з флікер-моделлю для заглушення низькочастотних завад в зоні 50 Гц, які можуть з'явитися при вимірюванні пульсації, у ЗФ додатково введено фільтр вищих частот - фільтр Батерворта шостого порядку з АЧФ

де _с = 70 Гц - частота зрізу. Тоді АЧФ ЗФ має вигляд

Сталу часу Т_п = 0,2 с в виразі для визначено за умови зменшення цієї АЧФ при _п > 100 Гц обернено пропорційно частоті пульсації. За умови нормування: А_п(100) = 1 знайдено коефіцієнт передачі k_п = 126,54. електричний навантаження освітлення напруга

По-друге, за аналогією з дозою фликеру введено поняття дози пульсації P_Sп, яка оцінює додаткову втому людини від пульсації освітлення. Стала часу КІЗ у флікер-моделі дорівнює 0,3 с, що є значно більшим за найбільший період 0,01 с пульсації частотою 100 Гц. Тому у блоці КІЗ розраховується дисперсія реакції ЗФ. Це дозволило замінити блок КІЗ блоком обчислення стандарту реакції і відмовитися від блоку статистичної обробки. В результаті було отримано просту формулу для дози пульсації

,

де - коефіцієнт пропорційності. Його величина визначається за умови, що при зоровій роботі класів І, ІІ і гармонічній пульсації 100 Гц доза дорівнювала б одиниці. У цьому випадку коефіцієнт пульсації не повинен перевищувати 10 %. Оскільки при гармонічній пульсації

а А_п(100) = 1, то (%)-¹. Для робіт класу ІІІ допустиме значення дози становить 1,5, а для останніх класів від ІV до VІІІ - 2.

На відміну від коефіцієнта пульсації, доза є універсальним показником, який враховує форму і частоту пульсації.

У четвертому розділі "Електромагнітна сумісність" розглядаються методи оцінювання ЕМС при наявності завад в електричній мережі (відхилення і коливання напруги) та завад, які створюються лампами (несиметрія, несинусоїдальність напруги та пульсація освітлення).

Відзначено, що при оцінюванні впливу відхилень напруги на лампи потрібно враховувати їх номінальну напругу U_н. Дійсно, вимоги ГОСТ відносяться до 220 В, тоді як багато ламп мають напругу 230 і 230-240 В (у середньому 235 В). Тому при відсутності відхилень від 220 В на лампах 230 В буде відхилення 4,35 %, а 235 В - навіть 6,38 %. Для врахування цієї обставини напруга у в.о. відносно 220 В повинна перераховуватися з коефіцієнтом або розрахунки потрібно виконувати у вольтах.

Для ламп, які мають лінійні статичні характеристики, показники ЕМС можна розраховувати за середнім значенням U_c напруги. При U_c > 1 строк служби скорочується від 100 % до величини

,

а при U_c < 1 скорочується середнє значення світлового потоку

Показано, що при нелінійній статичній характеристиці потрібно використовувати вирази

де М - символ математичного очікування. Лише при малих діапазонах зміни напруги у вирази для статичних характеристик можна підставляти середнє значення напруги.

Відомо, що при Ф_с < 1 продуктивність праці людини зменшується від 100 % до величини

де - коефіцієнт чутливості, який змінюється у межах від 0,5 - при напруженій зоровій роботі до 0,025 - при виконанні електромонтажних робіт.

Показано, що при виконанні норм ГОСТ на підвищення напруги (+5 % у продовж 0,9524 = 22,8 г і +10 % за 0,0524 = 1,2 г) строк служби ЛР 220 В скорочується на 51,1 % (230 В - на 8,97 %), а КЛЛ 230 В - тільки на 2,02 %. При зменшеній напрузі (-5 % за 22,8 г, -10 % за 1,2 г) продуктивність праці людини при ЛР 220 В зменшується на 8,46 % (230 В - на 12,1 %), а КЛЛ 230 В - тільки на 3,78-1,41 %. Це свідчить про високу ефективність КЛЛ за цим показником ЕМС.

За даними експериментальних досліджень у одній квартирі середнє значення напруги становило 208,7 В, тобто при U_н = 220 В U_с = 0,9486, а при 230 і 235 В - тільки 0,9074 і 0,8881. Відповідно світловий потік ЛР з U_н = 220 або 230 В зменшився на 18,7 або 30,5 %, продуктивність праці зменшилася на 4,23 або 7,9 %. При КЛЛ номінальною напругою 230 В зменшення продуктивності праці є значно меншим: від 2,29 до 0,95 %. Навіть при напрузі 235 В зменшення становить усього 3,48 %.

Допустимість коливань напруги оцінюється за дозою флікеру. До ЗФ існуючої флікер-моделі входить "стандартна" лампа 60 Вт. Тому ця модель може використовуватися тільки для контролю ЕМС у точках загального приєднання згідно ГОСТ. Для техніко-економічних розрахунків потрібно враховувати фактичні лампи. З цією метою передавальну функцію або АЧФ моделі ІЕС (символ ) пропонується розділити на передавальну функцію або АЧФ стандартної лампи з параметрами с і помножити на передавальну функцію або АЧФ фактичної лампи з її параметрами Тоді АЧФ зважувального фільтру моделі з фактичною лампою становить

На базі відомого загального підходу отримано аналітичний розв'язок щодо дози флікеру при гармонічних коливаннях напруги з розмахом U у % і частотою :

де - АЧФ інерційної ланки зі сталою часу 0,3 с в блоці квадратичного інерційного згладжування з флікер-моделі ІЕС.

Звідси витікає, що дози для різних ламп не можна перераховувати тільки за відношенням коефіцієнтів передачі, а потрібно враховувати і сталі часу. Наявність аналітичного розв'язку дозволяє оцінювати ефективність ламп за дозою флікеру не тільки якісно, але й кількісно.

ЛР мають невеликі розбіжності у значеннях коефіцієнтів передачі, тому на дозу флікеру в основному впливає стала часу. За даними літератури, ЛР 15 і 100 Вт мають сталі часу 0,01 і 0,1 с. Додавши сюди сталу часу 0,073 с лампи 60 Вт, маємо три відомі точки, через які проводимо криву, що апроксимує залежність сталої часу у секундах від номінальної потужності [P_н] без розмірності:

Лампа меншої (більшої) потужності, ніж 60 Вт, має меншу (більшу) сталу часу, ніж 0,023 с, тому ті ж саме коливання створюють більші (менші) дози. Це означає, що оцінювання коливань у рамках моделі ІЕС занижує (завищує) вимоги до ЕМС. Міра недостовірності залежить не тільки від сталої часу, але й від частоти. При малих частотах коливання є повільними, тому перехідними процесами у ЗФ можна нехтувати, а сам ЗФ - розглядати як статичну модель. Навпаки, при високих частотах інерційність ЛР (навіть 15 Вт) є настільки великою, що процес на виході блоку КІЗ при будь-яких сталих часу, більших за 0,01 с, мало змінюється. Тому, хоча і з різних причин, у обох випадках криві 1-3 зближуються. У проміжних випадках розбіжності між кривими є суттєвими.

У порівнянні зі стандартною ЛР моделі ЛЛ і КЛЛ мають менші коефіцієнти передачі і менші сталі часу. Перша обставина зменшує дозу флікеру, а друга - збільшує, однак в цілому доза є меншою. На КЛЛ коливання напруги впливають значно менше, ніж на ЛЛ, а тим більш - ніж на ЛР. Використання моделі ІЕС призводить до значного завищення оцінок ЕМС.

Пульсація освітлення є допустимою, якщо доза пульсації не перевищує її допустимого значення. Проте навіть при виконанні цієї технічної умови зменшення пульсації може бути доцільним за умовами продуктивності праці й здоров'я людини. В дисертації показано, як за відомими експериментальними даними щодо зменшення продуктивності праці при одно-, двох- і трифазному підключенні ЛЛ можна отримати залежності продуктивності П_п від дози пульсації, які приведено у табл. 1. На відміну від відомих даних, які відносяться до окремих випадків пульсації частотою 100, 200 і 300 Гц, отримані залежності є універсальними, бо універсальним є поняття дози.

Оскільки пульсація є періодичною функцією часу, доза пульсації розраховується за діючими значеннями Е_пт гармонік пульсації:

де т - номер гармоніки частотою = 100т.

Таблиця 1. Залежності продуктивності праці від дози пульсації

Розряди роботи	Дози	Пп %
І, ІІ
ІІІ
ІV-VIII

Якщо в експериментах використовується інерційний фотодатчик з АЧФ А_ф(), то потрібно виконувати корекцію динамічної похибки: отримані з досліду величини мають бути розділеними на А_ф(_пт). В роботі використовувався фотоелемент, який моделюється інерційною ланкою зі сталою часу 0,0003 с. Корекція динамічної похибки збільшила першу гармоніку в 1,02 рази, а дев`ятнадцяту - у 3,72 рази.

Виконані експерименти дали наступні результати. ЛР 60 Вт створює дозу пульсації 1,25, яка не є допустимою для робіт класу І і ІІ. Доза 1,89 від сучасної ЛЛ дозволяє застосовувати цю лампу лише для робіт класу ІV-VIII. ЛЛ першого покоління і настільна ЛЛ 11 Вт створюють дози 3,76 і 3,08, які є недопустимими для будь-яких робіт. У той же час сучасні КЛЛ дають дози від 0,87 до 0,17, тобто можуть бути використані для будь-яких робіт.

Коефіцієнт пульсації завищує оцінки ЕМС у порівнянні з дозами - тим більше, чим більше пульсація відрізняється від синусоїди. Для ЛР 60 Вт завищення становить лише 9 %, проте як для ЛЛ - від 16 до 32 %, а для КЛЛ - від 26 до 74 %, що свідчить про необхідність заміни цього показника на дозу пульсації.

Використання КЛЛ значно зменшує збитки від зменшення продуктивності праці за наявності пульсації. Наприклад, для робіт ІV-VIII класів зменшення становить: 2,04 % - при ЛР; 2,43 % - при сучасних ЛЛ і 0,71 % - при КЛЛ. Хоча при використанні КЛЛ несинусоїдальна складова струмів збільшує навантаження фазних і нульового провідників, із-за меншої активної потужності розрахункове навантаження є значно меншим. Це дозволяє або зменшити переріз провідників, або підвищити їх пропускну здатність, а також зменшити втрати активної потужності у мережі. Наприклад, якщо при рівномірному розподіленні ламп по фазах за умови практично однакового освітлення замість ЛР потужністю по 100 Вт перейти до КЛЛ потужністю по 21 Вт, то незалежно від кількості ламп розрахункове навантаження зменшується у 2,1 рази, а втрати потужності - у 2,6 рази.

Негативними наслідками застосування КЛЛ є збільшення нульової послідовності й долі несинусоїдальної складової струмів, що приводить до погіршення умов ЕМС у мережі. Для визначення відповідних показників ЕМС запропоновано розраховувати криві втрат напруги за кривими струмів, які отримуються запропонованим у другому розділі прямим методом:

де - сумарні активні опори й індуктивності фаз та нульового проводу мережі та трансформатора. По цих кривих розраховуються показники ЕМС за несиметрією й несинусоїдальністю.

Отримані показники режимів дозволяють виконати техніко-економічне обґрунтування доцільності застосування КЛЛ комплексно: не тільки за споживанням активної електроенергії, строком служби й вартістю ламп, але й за показниками ЕМС - як таких, що поліпшують і погіршують умови ЕМС.

У додатках надано опис стенду для експериментальних досліджень параметрів режиму ламп, методи лінеаризації статичних характеристик ламп, документи щодо практичного використання результатів дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертації дається нове розв'язання наукової задачі розробки методів розрахунку показників режиму й ЕМС в електричних мережах освітлення, яке відрізняється використанням кривих струмів і динамічних моделей ЕМС. Отримані результати розвивають теорію електричних навантажень й ЕМС електричних мереж з нелінійними навантаженнями, забезпечуючи енергозбереження й ЕМС.

Виконані дослідження дозволили зробити наступні висновки.

1. Прямий метод розрахунку електричних навантажень по кривих струмів однофазних електроприймачів є принципово точним, забезпечує достовірну й найбільш повну інформацію щодо сумарного навантаження, що дозволяє обґрунтовано проектувати освітлювальні електричні мережі.

2. Скорочення строку служби або зменшення продуктивності праці при збільшеній або зменшеній напрузі визначаються середніми значеннями відповідних статичних характеристик у межах змінення напруги. В окремому випадку лінійних характеристик ці показники залежать тільки від середнього значення напруги.

3. Ступінь впливу відхилень напруги знаходиться у зворотній залежності від нахилу лінеаризованої статичної характеристики лампи, який у сучасних КЛЛ є значно меншим, ніж у ЛР і ЛЛ, що суттєво зменшує втрати від відхилень напруги.

4. Точне відтворення гармонічних коливань діючих значень напруги шляхом низькочастотної модуляції несучої частоти 50 Гц не є можливим, тому при частотах коливань більших за 5 Гц у випадку знаходження параметрів динамічних моделей ламп частотним методом потрібно коректувати похибку в визначенні опитних точок.

5. При оцінюванні ЕМС за коливаннями напруги динамічні моделі ламп доцільно приймати у вигляді інерційних ланок. Менші, ніж у ЛР і ЛЛ, коефіцієнти передачі динамічних моделей КЛЛ є фактором, який зменшує дозу флікеру напруги, а менші сталі часу - протилежним фактором, але в цілому КЛЛ значно зменшують втрати від коливань напруги в електричних мережах.

6. У флікер-моделі потрібно використовувати параметри фактичних ламп, оскільки при однакових коливаннях напруги в мережі доза флікеру при використанні КЛЛ у декілька разів є меншою, ніж при стандартній ЛР 60 Вт.

7. Запропонована доза пульсації є універсальним показником ЕМС, який дозволяє запобігати завищення вимог до ЕМС за існуючим показником - коефіцієнтом пульсації.

8. Комплексний аналіз всіх факторів: які сприяють їх застосуванню (мале електроспоживання, великий строк служби, менші збитки від відхилень і коливань напруги, практична відсутність пульсації освітлення, менше завантаження мережі, менші втрати потужності у мережі, менша несиметрія за зворотною послідовністю), а також які перешкоджають (більша вартість, більша несиметрія за нульовою послідовністю, більша несинусоїдальність), забезпечує об'єктивну оцінку ефективності КЛЛ, розширяючи область застосування енергозберігальних ламп.

9. Доцільно внести наступні зміни у директивні документи: в ГОСТ 13109-97 - при визначенні коливань напруги прийняти безперервне квадратичне осереднення на інтервалі 0,01 с; у ДБН В.2.5-23-2003 - дати метод розрахунку по кривих струмів; у ДБН В.2.5-28-2006 - ввести поняття дози пульсації, а коефіцієнт пульсації зберегти для окремого випадку гармонічної пульсації 100 Гц; у цих Будівельних нормах вказати на переважне застосування газорозрядних ламп з електронним керуванням.

Публікації за темою дисертації

1. Курінний Е.Г. Електромагнітна сумісність. Доза пульсації / Е.Г. Курінний, В.Г. Ленко // Світлотехніка та електроенергетика. - Харків: Харківська нац. академія міського господарства. АН ВШУ, 2005, № 5. - С. 48-53.

2. Лєнко В.Г. Ефективність застосування енергозберігальних ламп за дозою флікеру напруги / В.Г. Лєнко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Серія: "Електротехніка і енергетика". - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - Випуск 98. - С. 106-110.

3. Курінний Е.Г. Енергетичні співвідношення в електричних мережах з енергозберігальними лампами / Е.Г. Курінний, В.Г. Лєнко // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск: Проблеми сучасної електротехніки. - 2006. - Ч. 2. - С. 46-49.

4. Курінний Е.Г. Моделі електромагнітної сумісності ламп за відхиленнями і коливаннями напруги / Е.Г. Курінний, О.М. Дмитрієва, В.Г. Ленко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Серія: "Електротехніка і енергетика". - Донецьк: ДонНТУ. - 2006. - Випуск 112. - С. 97-101.

5. Дмитрієва О.М. Параметрична ідентифікація моделей ламп для оцінювання доз флікеру напруги / О.М. Дмитрієва, В.Г. Ленко, В.О. Топчій // Вісник Кременчуцького держ. політехн. ун-ту ім. Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ. - 2007. - Випуск 4/2007 (45). - Ч. 2. - С. 55-57.

6. Куренный Э.Г. Электрические нагрузки осветительных сетей с энергосберегающими лампами / Э.Г. Куренный, В.Г. Ленко // Изв. вузов. Северо-Кавказкий регион. Диагностика энергооборудования (материалы XXVIII сессии Всероссийского семинара "Кибернетика энергетических систем"). - Новочеркасск. - 2006. - С. 180-181.

7. Ленко В.Г. Электрические нагрузки группы однофазных электроприемников с нелинейными вольтамперными характеристиками / В.Г. Ленко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Серія: "Електротехніка і енергетика". - Донецьк: ДонНТУ. - 2007. - Випуск 7(128). - С. 203-208.

8. Kourennyi E.G. Электромагнитная совместимость ламп по показателям освещенности / E.G. Kourennyi, V.G. Lenko, D.E. Kourennyi // XXXIV Miedzynarodowa Konferencja: Telecommunication and Safety Systems in Mining. ATI 2006. Sekcji Cybernetyki w Gornictwie KG PAN. - Poland: Szczyrk, 31 May - 2 June 2006. - P. 219-226.

Размещено на Allbest.ru