Для коррекции электроэнергии в искажающих системах

Нагрузки существенно влияют на режимы электрических сетей и энергосистемы в целом. Качество электрической энергии в подавляющих случаях зависит от режимов и характера потребителей. Так, например, нелинейные нагрузки вызывают искажения формы кривой напряжения и тока. К ним, в первую очередь, относятся вентильные электроприводы, дуговые электропечи, электротяговые нагрузки и др.

Довольно значительное число нагрузок носит резко переменный характер. Мощность, потребляемая нагрузками, не является постоянной во времени. Они вызывают колебания напряжения и тока, т. е. создают модулированные по амплитуде и фазе режимы напряжений и токов.

Некоторые нагрузки создают несимметрию трехфазных систем. К ним относятся осветительная нагрузка, однофазные тяговые нагрузки, иногда возникают несимметричные режимы в системе электроснабжения трехфазных дугоплавильных печей. Такие нагрузки обладают общим свойством: потребляя электроэнергию из энергосистемы, они частично преобразуют её и передают обратно в сеть. Энергия, поступающая в сеть от генератора, имеет высокое качество: форма кривых напряжения синусоидальна, трехфазные системы напряжений симметричны. Этот поток энергии, распределяющийся по сети и потребляющийся нагрузками, называют основным потоком, а его мощность - мощностью основного потока..

Та часть энергии, которая преобразуется искажающими нагрузками и передается в сеть, определяет искажение и приводит к ухудшению качества электроэнергии. Этот поток и его мощность, распространяющиеся от искажающих нагрузок по энергосистеме, называют вторичными потоком энергии и мощностью. Но, если генератором генерируется напряжение синусоидальной формы, а мощность генератора определяется только первой гармоникой, то источниками высших гармоник являются нелинейные и периодические нагрузки.

Полная мощность в неискажающей системе оценивается по выражению

P н=3 UI =(P а^2+ P р^2)^1/2,

(5.20.1)

а в искажающей системе – по выражению

P и=[ P а^2+ P р^2+ P п^2+(3 n +1) P с^2+ P и^2]^1/2,

(5.20.2)

где U –напряжение и I – ток в системе, P _а – активная и P _р – реактивная составляющие энергии, потребляемой из системы, P _д – действительная полная мощность искажающей системы, P _п – мощность пульсаций, n – коэффициент, учитывающий сопротивление фазных проводов системы, P _с – скрытая мощность, а P _и – мощность искажения.

В уравнении (5.20.2) P _п, P _с и P _и являются техническими параметрами, сопровождающими передачу P _а, приводящие к росту потерь и снижению пропускной способности системы. Однако влияние P _п, P _с и P _и на характер потребления электрической энергии и её качество не всегда учитывается на практике.

На качество электроэнергии неблагоприятно влияют несимметрия и неуравновешенность системы токов, характеризуемые коэффициентами несимметрии и неуравновешенности токов, а также высшие гармоники системы токов. И неравномерность потребления электроэнергии.

При симметричной нагрузке (сопротивления в фазах R _А= R _B= R _C) потребляется активная мощность (5.20.1), передача этой мощности сопровождается потерями в фазных сопротивлениях системы (I _А= I _B= I _C, в нейтрали I _Н=0), оцениваемых по выражению

Δ P сим=3 R z I ^2,

(5.20.3)

а при несимметричной нагрузке сопротивления в фазах R _А≠ R _B≠ R _C, тогда I _А≠ I _B≠ I _C≠ I _Н≠0 и потери мощности определяются по

ΔPн.сим= R A I A^2+ R B I B^2+ R C I C^2+ R Н I Н^2> Δ P сим,

(5.20.4)

хотя значения P _а=const и cos φ =1. Причиной увеличения потерь при несимметрии нагрузки является наличие P _п и P _с, сопровождающих передачу P _а.

Влияние высших гармоник, на примере однофазной системы с тиристорами, соединенными по схеме встречно-параллельного включения, отражается при управлении нагрузкой, с синусоидальным напряжением

u = U m sin ωt

(5.20.5)

описывается действующим током в нагрузке по выражению

I _н²= T ^-1 U _нm R ^-1 sin ² ωtdt + U _нm R ^-1 sin ² ωtdt, (5.20.6)

тогда

P _и=(U _m² I _i²)^1/2/ (5.20.7)

Передача P _и приводит к увеличению потерь в сети, а потому является вторым неблагоприятным следствием наличия высших гармоник.

Значение P _д оценивается по выражению

P _д=(P _а+ P _р +P _и)^1/2. (5.20.8)

Характер потребления активной W _а= P _а T и реактивной W _р= P _р T энергии на конечном интервале времени T при неравномерности потребления может быть различным. Если потребление энергии осуществляется при постоянном значении тока I _i, а сопротивления сети равны 2 R _z, то потери энергии на рассматриваемом интервале времени составят

Δ W _а=2 R _z I _i² T. (5.20.9)

Отсюда вытекают причины недокала ламп в части населенных пунктов и их перегорания в условиях пиковых всплесков напряжения в сети.

С экономической точки зрения наиболее важным показателем характера потребления электрической энергии могут служить потери в сопротивлениях системы, возникающие при передаче энергии потребителю.

Если текущее значение потерь мощности в сопротивлениях системы при данной передаваемой активной мощности для неискажающих систем определяется по выражению

Δ P ₁≈1/ cos ² φ, (5.20.10)

то в искажающей системе с несимметричными и несинусоидальными токами потери в тех же сопротивлениях системы при передаче той же активной мощности определяются по выражению

Δ P ₂≈1/ k ², (5.20.11)

где k – действительный коэффициент мощности, а Δ P ₁<<Δ P ₂.

При этом на долю реактивной мощности приходится

Δ P _2р= P _р²/P_а², (5.20.12)

на долю мощности пульсаций приходится

Δ P _2п= P _п²/P_а², (5.20.13)

на долю скрытой мощности

Δ P _2с=(3 n +1) P _с²/P_а² (5.20.14)

и на долю мощности искажения

Δ P _2и= P _и²/P_а². (5.20.15)

Радикальным средством сокращения несимметрии в энергосистемах может стать способ и устройство для защиты трехфазной нагрузки от несимметрии фазных токов (рис. 5.20.1 и рис. 5.20.2).

Схема устройства для защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током приведена на рис. 5.20.1, а диаграммы токов в нагрузке, поясняющие принцип оценки степени асимметрии фазных токов в нагрузке, приведены на рис. 5.20.2.

Рис. 5.20.1

Рис. 5.20.2

Устройство защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током содержит магнитный пускатель (МП), соединенный входами с источником питания, нагрузку (Н) и реле защитного отключения (РЗО), соединенное входами (обмотками) пофазно с выходами МП, выходами (обмотками) – пофазно со входами Н, а нормально замкнутыми контактами – последовательно с обмоткой МП. РЗО содержит соленоид из трех идентичных обмоток и нормально замкнутые контакты, управляемые магнитным полем соленоида. Входы соленоида обмоток РЗО пофазно соединены с выходами МП, выходы РЗО соединены пофазно со входами Н, а нормально замкнутые контакты РЗО соединены последовательно с обмоткой МП.

Устройство защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током работает следующим образом. Нормально замкнутые контакты РЗО обеспечивают гальваническую связь обмотки МП через нормально замкнутые контакты его кнопки «Стоп» с источником питания. При нажатии кнопки «Пуск» контакты МП, нормально разомкнутые, замыкаются и Н, через МП (через контакты) и РЗО (через обмотки), соединяется с источником питания. В Н, при симметричности её фазных сопротивлений, протекают равные по модулю фазные токи со сдвигом по фазе на 120º, а асимметрия фазных токов не выходит за пределы поля допуска (| Δ _ф =Σ _ф |<| Δ _{ф доп} |), тогда напряженность магнитного поля в соленоиде РЗО – недостаточна для размыкания контактов РЗО и обесточивания обмотки соленоида МП. При нарушении симметрии фазных токов, т. е. при | _фa | = | _фb | ≠ | _фc |, в момент выхода асимметрии за поле допуска (при | Δ _ф |>| Δ _{ф доп} |), по причинам неравенства модулей фазных токов (| _фa | ≠ | _фb | ≠ | _фc |), неравенства фазных сопротивлений нагрузки, неравенства сопротивлений между входом фазы Н и корпусом Н и/или землёй и т. д., В обмотках РЗО протекают несимметричные токи, напряженность магнитного поля в соленоида РЗО достигает уровня, достаточного для срабатывания РЗО, при этом его нормально замкнутые контакты размыкаются, обмотка МП обесточивается, контакты МП размыкаются, а Н автоматически отключается от питающей сети (обесточивается). Нарушение симметричности фазных токов Н, т. е. токов протекающих через соленоид РЗО, независимо от причины её вызвавшей, приводит к обесточиванию Н, а, следовательно, и к её защите, равно как и к защите питающей сети от короткого замыкания, обрыва фазы, утечки на землю, а при достаточной чувствительности РЗО – и к защите человека от поражения электрическим током.

Это устройство обеспечивает: инерционность защитного отключения трехфазной нагрузки (с нейтралью или без таковой) не превышает 0,2 с при модуле асимметрии фазных токов |Δ _ф |≤20÷40 мА, что даже при снижении сопротивления изоляции любой из фаз на корпус обеспечивает защиту нагрузки (электропривода) от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током в 30 мА / с и более, при допуске (в шахтной угледобыче) в 100–150 мА / с.

Достоинства устройства защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током состоят в автоматическом срабатывании защиты при минимизации аппаратурной избыточности и инерционности отключения нагрузки в случае выхода асимметрии фазных токов в нагрузке за поле допуска, и, как следствие, в повышении надежности в работе. Так, при разнице тока в одной из фазных обмоток реле защитного отключения на десятки миллиампер, нагрузка с задержкой не более 0,2 с. отключается (обесточивается), что позволяет защитить нагрузку от перекоса фазных токов, при нарушении асимметрии сопротивления фазных обмоток нагрузки и утечках тока на корпус оборудования, даже при появлении тока утечки через цепь с сопротивлением в единицы и десятки тысяч Ом, а, следовательно, – защитить человека от токов в десятки мА / с, что в шахтных условиях, в условиях повышенной влажности, обеспечивает защиту человека от поражения током.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многочисленные особенности, бифуркации и катастрофы возникают во всех задачах оптимизации, управления и принятия решений.

Из рассмотрения задачи управления в трехмерном (евклидовом) пространстве с препятствием, ограниченном гладкой поверхностью, кратчайший путь из x в y, в обход препятствия, состоит из отрезков прямых и отрезков геодезических (кратчайших) линий на поверхности препятствия. При этом на геометрию кратчайших путей оказывают влияние различные прогибы поверхности препятствия.

Пути в загороженное препятствием пространство слагаются из отрезков прямых, касающихся препятствия, и кривых, продолжения этих путей, образующих пучок (однопараметрическое семейство) геодезических поверхностей. При этом возникает двухпараметрическое семейство путей, характеризующихся как линиями пучка, так и точками срыва касательной, уходящей с поверхности препятствия. Вдоль каждого пути определена функция времени (отсчитываемая от точки x) достижения конечной точки (y), определяемой не однозначно, в силу множества таких путей.

Исследование функции времени приводит к выявлению особенностей, состоящих в образовании складок в общих точках и сборок в особых точках. При подходящем выборе системы координат функция времени приводит к виду T = x – y ^5/2 в окрестности общей точки особой поверхности y =0, что образует поверхность фронта с ребром возврата, локально задающуюся уравнением x ²= y ⁵.

Аналогичный результат получается в плоской задаче, где фронты имеют особенность типа x ²= y ⁵ в точках касательной перегиба.

Фронт пространственной задачи в особой точке (точке сборки гауссова отображения пучка) локально задается уравнениями вида

x = u, y = v ²+ uv, z =(135 v ⁴+189 uv ²+70 u ²) v ³,

где (u, v) – параметры, (x, y, z) – криволинейные координаты в пространстве с началом в не лежащей на поверхности препятствия точке особого асимптотического луча.

В соответствии с общей стратегией Пуанкаре, граница устойчивости семейства равновесных систем может иметь особенности, сохраняющиеся при малых изменениях параметров. Но область устойчивости всегда располагается выпуклостями наружу, вклиниваясь в область неустойчивости, а материальная точка, двигаясь в потенциальной яме или у потенциального барьера, описывает фазовую траекторию в системе координат, один из параметров которой – её энергия (Е). При этом граница области достижимости состоит из отрезков, а индикатриса управляемой системы может быть и невыпуклой.

Математические модели теории катастроф указывают на общие черты скачкообразного изменения режима системы в ответ даже на плавные изменения, как внешних условий, так и внутреннего состояния их подсистем. К катастрофической потере устойчивости может приводить оптимизация и особенно интенсификация, так для простейшей модели, описываемой, например, уравнением

dx / dh = x (h)– x ²(h)– c,

оптимизация (максимизация) квоты c по показателю h приводит к неустойчивости режима и уничтожению системы. Однако устойчивость не теряется, если ввести обратную связь. В модели с обратной связью

dx / dh = x (h)– x ²(h)– kx (h)

оптимальное значение коэффициента k =0,5. При таком значении k система совершает колебания, не выходящие за область устойчивости.

Следовательно, управление системой без гибкой обратной связи (как положительной, так и отрицательной) всегда приводит к катастрофам.

Памятка. Исключительное право на интеллектуальный промышленно применимый продукт, защищенный патентом, охраняется Законом государства, выдавшего его, и допускает передачу по лицензии, при нарушении этого права виновные в судебном порядке привлекаются к ответственности. Отношения между лицензиатом и лицензиаром регламентируются соответствующим соглашением и регистрируются в патентном ведомстве страны патентования на возмездной основе.

По истечении срока охраны исключительного права на запатентованный интеллектуальный продукт, исключительное право становится всеобщим достоянием человечества, а авторское право на этот продукт является неотчуждаемым вечно.

Защита интеллектуального промышленно применимого продукта престижна и экономически оправдана как для государства, выдавшего патент на него, так и для работодателя и автора.

Прежде всего, необходимо подать заявку на изобретение в патентное ведомство станы гражданства заявителя. При этом допустимо испрашивать либо патент на изобретение (ПИ), либо патент на полезную модель (ПМ). ПИ срок действия – 20 лет, ПМ – 10 лет. После получения приоритетного номера и даты приоритета допустимы публикации, реклама, предложения, выставки, продажа лицензии.

Объем патентной охраны определяется формулой изобретения (её отличительной частью). Первый пункт формулы – основной пункт должен быть сформулирован как можно более сжато, обобщенно. Второй, третий и т. д. пункты – зависимые пункты формулы описывают другие целесообразные и полезные варианты осуществления изобретения. Фигуры чертежей и описания служат для пояснения (толкования) пунктов формулы и поэтому должны ясно описывать конкретный и оптимальный вариант осуществления изобретения, а также его технические преимущества.

После получения номера патента можно сразу приступать к поиску инвесторов, покупателей лицензии. Попытка установить контакты с инвесторами, изготовителями, лицензиатами в разных странах Мира позволяет получить (бесплатную) информацию о шансах изобретения на рынке. После такой проверки желательно незамедлительно (в течение 365 дней с даты приоритета в стране гражданства автора) принять решение о патентовании изобретения за рубежом. При этом изобретение экономически целесообразно патентовать только в тех странах (РСТ, ЕПВ, ЕАПВ, США, ФРГ, Франция, Япония, Китай, …), где ведут свою деятельность конкуренты, а значит там, где есть рынок. Инвесторы готовы делать серьезные предложения только после получения удовлетворительного заключения о поиске (экспертизе по существу).

В странах, где изобретение не запатентовано, его использование нерегламентировано, оно беспрепятственно может применяться, и не преследуется Законом.

С точки зрения прав ПИ и ПМ равнозначны (обладают монопольным правом и запретительным правом).

 

 

БИБЛИОГРАФИЯ