Разработка концептуального подхода к обеспечению электромагнитной совместимости бытовых электроприемников

Различные инициативы по энергосбережению в нашей стране, такие как Федеральный Закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», в качестве одной из основных своих задач ставят создание и внедрение энергоэффективного оборудования, эффективное энергопотребление, применение энергосберегающих технологий [1, 2]. Реализация этих задач среди прочего подразумевает замену устаревших низкоэффективных электроприемников (ЭП) современным оборудованием на базе силовой электроники. Повсеместное внедрение электроники, увеличивающей коэффициент полезного действия (КПД) и срок службы электрооборудования, обеспечивающей работу интеллектуальных систем контроля и учета, предоставляющей новые возможности по использованию электрооборудования, в настоящее время видится панацеей при решении проблем энергоэффективности. В качестве иллюстрации неоспоримых достоинств силовой электроники при энергосбережении может быть использован частотно-регулируемый привод, который приходит на смену традиционным двигателям постоянного тока во многих областях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Применяемый в нем преобразователь частоты осуществляет плавное регулирование скорости вращения электродвигателя, тем самым экономя электроэнергию (ЭЭ), уменьшая износ оборудования, предоставляя возможности точного регулирования по произвольному контролируемому параметру (например, при подключении к датчику давления или температуры). Эффективное промышленное электропотребление при механической, термической или гальванической обработке материалов, сварке обеспечивается в том числе и с помощью оборудования силовой электроники.

Большим потенциалом в области энергосбережения и повышения энергоэффективности обладает ЖКХ. Промышленное электропотребление традиционно определяло режим работы сети в нашей стране, в то время как доля бытового была крайне мала из-за ограниченной номенклатуры и небольшой суммарной мощности квартирных ЭП. Однако с ростом мегаполисов, развитием 5 городской инфраструктуры (например, офисных и торговых центров), бумом бытовой электроники в сети появился новый тип бытовых электрических нагрузок, характеризующийся распределенностью, малой мощностью входящих в него отдельных ЭП и высоким суммарным электропотреблением. Такой нагрузкой, например, является электроосвещение, состоящее из ЭП мощностью в десятки ватт и в то же время формирующее около 14% электропотребления России. Аналогично промышленности в число мер по бытовому энергосбережению входит стимулирование использования населением энергоэффективных ЭП: в случае освещения существует государственная инициатива по замене бытовых ламп накаливания (ЛН) компактными люминесцентными лампами (КЛЛ) или светодиодными лампами. За счет применяемых в них источников вторичного электропитания (ИВЭ), создающих наиболее благоприятные условия для нагрузки, значительно снижается электропотребление ЭП, улучшаются рабочие характеристики, повышается КПД. Это же справедливо для более эффективных по сравнению с обычными инверторных холодильников и индукционных плит.

Таким образом, переход на энергосберегающее бытовое электрооборудование подразумевает использование ЭП с ИВЭ. Рост числа ЭП с ИВЭ также объясняется увеличивающейся долей в электропотреблении и разнообразием бытовой электроники. Работа персональных компьютеров (ПК), телевизоров (ТВ), зарядных устройств для мобильных электронных устройств возможна только при стабилизированном сигнале питания конкретной формы, который обеспечивает ИВЭ.

Однако, несмотря на вышеназванные достоинства и незаменимость при построении схем питания энергоэффективного оборудования и бытовой электроники, ИВЭ имеют серьезный недостаток в виде нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) схемы. Работая в ключевом режиме, необходимом для преобразования сетевого напряжения, схема ИВЭ характеризуется зависимой от времени величиной входного сопротивления, а значит искажением кривой входного тока по сравнению с синусоидальным 6 напряжением питания. Так, типичный суммарный коэффициент гармонических составляющих тока К/ для КЛЛ мощностью ниже 25 Вт составляет около 100%, аналогичный показатель для ТВ мощностью ниже 75 Вт может достигать 200% [3], что при известных инициативах по энергосбережению и настоящем уровне насыщения электросетей бытовой электроникой может вызывать проблемы в обеспечении качества электроэнергии (КЭ) [4]. Протекая по сопротивлению питающей линии, высшие гармонические составляющие (ВГ) входного тока ЭП создают несинусоидальное падение напряжения, которое в результате искажает напряжение питания. Превышение напряжением норм несинусоидальности чревато дополнительными потерями и износом оборудования электросети, а также появлением на частотах ВГ резонансов, сопровождающихся сверхтоками и перенапряжениями [5].

Проблемы несинусоидальности актуальны и для промышленного оборудования с использованием силовых электронных схем: мощных выпрямителей и инверторов, — однако в случае промышленного ЭП большой мощности несинусоидальность входного тока может быть устранена, например, с помощью фильтров ВГ, в то время как ВГ тока большого числа разрозненных маломощных и резко нелинейных бытовых ЭП экономически целесообразно компенсировать только в точке общего присоединения, где ток достаточно велик, а это означает нарушение норм КЭ в местах подключения отдельных ЭП. Поэтому общепринятый подход к решению проблемы несинусоидальности входного тока бытовых нелинейных ЭП заключается в снижении эмиссии ВГ до некоторого приемлемого уровня с помощью схемных решений в рамках отдельных ЭП.

С учетом всего вышесказанного актуальность данной работы заключается в следующем:

Настоящие инициативы по стимулированию использования бытового энергосберегающего оборудования вкупе с высоким насыщением электросетей нагрузками бытовой электроники способствуют росту доли суммарной нелинейной нагрузки в электропотреблении ЖКХ. Если учесть возможное 7 внедрение технологий нетрадиционных возобновляемых источников энергии и оборудования зарядки электромобилей, становится понятно, что этот рост нелинейных нагрузок неизбежен, сопровождается повышением несинусоидальности напряжения питания и может приводить к нарушениям КЭ и различным негативным эффектам для электросети.

В связи с этим возникает необходимость в выявлении и анализе эмиссии ВГ тока бытовых нелинейных ЭП под воздействием внешних факторов, таких как уровень несинусоидальности питающего напряжения, количество и состав соседних ЭП, параметры системы электроснабжения.

Идея работы состоит в анализе влияния внешних факторов на уровень несинусоидальности входного тока нелинейных бытовых ЭП.

Цель работы: разработка концептуального подхода к обеспечению электромагнитной совместимости бытовых электроприемников.

Объект исследования: эмиссия ВГ входного тока нелинейных бытовых ЭП Предмет исследования: взаимосвязь ВГ входного тока нелинейных бытовых ЭП с параметрами электрической сети и несинусоидальностью питающего напряжения.

Задачи исследования:

1. Анализ номенклатуры бытовых ЭП с целью выявления наиболее важных источников ВГ тока и их типовых схем.

2. Аналитическое моделирование ВГ входного тока обобщенного нелинейного бытового ЭП.

3. Компьютерное моделирование ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

4. Анализ влияния искажения напряжения питания и состава группы ЭП на эмиссию ВГ тока с помощью полученных моделей.

Методика исследования состоит в решении вышеперечисленных задач с помощью аппарата теории линейных электрических цепей, в частности классического метода расчета переходных процессов и анализа несинусоидальных режимов. Также были использованы математические 8 численные методы решения трансцендентных уравнений (при определении параметров интервала проводимости мостового выпрямителя) — методы усредненного моделирования высокочастотного режима работы преобразователя (при получении моделей ЭП с активной коррекцией коэффициента мощности). Для аналитических расчетов и компьютерного моделирования использованы программы MathCad и Matlab/Simulink.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана аналитическая модель ВГ входного тока обобщенного нелинейного ЭП, учитывающая несинусоидальность напряжения питания и возможное наличие нескольких интервалов проводимости мостового выпрямителя.

2. Разработаны компьютерные модели ВГ входного тока «характерных» нелинейных бытовых ЭП.

3. Получены распределения векторов ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

Практическая значимость полученных результатов состоит в предложенных рекомендациях по снижению ВГ тока группы ЭП посредством выбора типа входящих в нее электроприборов. Разработанные аналитические и компьютерные модели могут быть использованы для расчета несинусоидального режима сети, формируемого совокупностью бытовых ЭП. Результаты исследований включены в международную базу экспериментальных данных эмиссии ВГ тока бытовых ЭП «Panda — Equipment harmonic database» [6] в рамках совместной работы с Техническим Университетом г. Дрезден.

Достоверность полученных результатов и предложенных практических рекомендаций подтверждается хорошим соответствием теоретических моделей экспериментальным измерениям, а также возможностью анализа экспериментальных данных с помощью предложенного научного инструментария.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Анализ номенклатуры бытовых ЭП по степени генерируемой ими несинусоидальности.

2. Типовые схемы бытовых нелинейных ЭП и обобщенная модель нелинейного ЭП.

3. Аналитическая модель обобщенной схемы нелинейного ЭП.

4. Компьютерные модели «характерных» нелинейных ЭП.

5. Типовые распределения ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

6. Анализ эффектов компенсации ВГ тока при совместном питании группы.

ЭП.

Апробация работы состояла в представлении результатов исследований на научно-технических и международных конференциях и семинарах: «Всероссийская научно-практическая конференция „Федоровские чтения“, Москва 2010», «Международная научно-практическая интернет-конференция „Энергои ресурсосбережение — XXI век“, Орел 2011», «Международная конференция по вопросам энергетики и экологии 1псоНЕТ ЕЕСА, Стамбул 2011», «Международная молодежная научная конференция „Тинчуринские чтения“, Казань 2012». В период с октября 2012 по март 2013 состоялась научная стажировка в институте «Электроснабжения и Высоковольтной и Высокотоковой Энергетики» Технического Университета г. Дрезден (1ЕЕН Т1Ю), в рамках которой был проведен анализ международного опыта при решении проблем несинусоидальности бытовых ЭП, намечены пункты совместного научного сотрудничества.

Результаты исследований опубликованы в двух статьях в журнале «Промышленная Энергетика».

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 79 наименований и одного приложения. Работа изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 11 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. В результате проведенного обзора номенклатуры бытовых электроприемников выявлены электроприборы, «характерные» с точки зрения их вклада в общую несинусоидальность напряжения сети. Для каждого из «характерных» нелинейных бытовых электроприемников определены типовые электрические схемы.

2. Предложена аналитическая модель обобщенного нелинейного электроприемника, учитывающая влияние несинусоидальности напряжения питания на спектр высших гармонических составляющих тока и позволяющая рассчитывать уровень искажений входного тока для большинства электроприемников освещения и бытовой электроники.

3. Построены точные БитшИпк-модели «характерных» нелинейных электроприемников, позволяющие анализировать эмиссию высших гармонических составляющих тока как отдельного нелинейного электроприбора при питании напряжением с произвольным гармоническим составом, так и крупных групп нелинейных электроприемников при расчете режимов электросетей.

4. Для всех «характерных» нелинейных бытовых электроприемников получены индивидуальные распределения векторов высших гармонических составляющих входного тока, так называемые сигнатуры, характеризующиеся стабильным положением независимо от уровня искажений напряжения питания.

5. Исследованы эффекты компенсации высших гармонических составляющих тока питания совокупности разнотипных нелинейных электроприемников. На основе сигнатур высших гармоник входного тока «характерных» нелинейных электроприемников предложен метод снижения несинусоидальности тока питания группы электроприборов путем подключения электроприемника с противоположной сигнатурой.

6. По результатам анализа эффектов компенсации несинусоидальности тока при совместной работе групп электроприемников даны рекомендации по снижению уровня искажений для «характерных» нелинейных электроприемников.

7. Результаты описываемых исследований были включены в международную базу экспериментальных данных эмиссии ВГ тока бытовых ЭП «Panda — Equipment harmonic database» в рамках совместной работы с Техническим Университетом г. Дрезден.