Электрическая энергия как товар используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Понятие качество электроэнергии (КЭ) отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник (ЭП) предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении, токе и т.п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭ. Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых ЭП могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.
К основным задачам измерения и анализа показателей качества электроэнергии (ПКЭ) относятся: обнаружение помех и их оценка; регистрация измеренных числовых характеристик в целях обработки и отображения результатов; оценка измеренных значений показателей качества электроэнергии на соответствие установленным требованиям; определение источника помех; проведение коммерческих расчетов между поставщиком и потребителем электроэнергии. Для организации измерений необходимо определить вид контроля, точку осуществления измерений и виды контролируемых ПКЭ. В зависимости от длительности наблюдения можно выделить два вида организации контроля КЭ: периодический и постоянный [4]. Отличие постоянного контроля от периодического заключается в непрерывности времени измерений и обработки результатов.
Возможны два варианта реализации поставленной задачи по измерению и анализу ПКЭ: система мониторинга, основанная на методах виртуального моделирования физических процессов; система мониторинга, основанная на применении контрольно-измерительных приборов [3]. На сегодняшний день методы виртуального моделирования широко применяются во всех областях науки и производства, так как они позволяют оперативно и с наименьшими затратами определить определенные параметры конечного результата. Особенно широко виртуальное моделирование применяется в проектной деятельности. Основным преимуществом второго варианта системы мониторинга ПКЭ является высокая точность, так как метод основан на измерениях физических величин [1, 5–8]. Также исследования, направленные на использование этого метода, позволяют определить принципиально новые требования к приборам учета и мероприятиям, обеспечивающим оптимизацию ПКЭ.
В настоящее время утверждены новые стандарты ГОСТ Р 51317.4.7-2008 и ГОСТ Р 51317.4.30-2008, регламентирующие методы измерения ПКЭ. Эти стандарты базируются на международных стандартах МЭК 61000, разработанных для пересмотра европейского стандарта на КЭ EN 50160. Также с 1 июля 2014 года вводится в действие новый ГОСТ Р 54149-2010, устанавливающий требования к допустимому уровню помех в электрических сетях общего назначения.
Современные анализаторы ПКЭ должны обеспечивать измерение следующих характеристик в соответствии с требованиями действующего в настоящее время ГОСТ 13109-97 [2]: действующее напряжение и напряжение основной частоты; установившееся отклонение напряжения; частоту; коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям, искажения синусоидальности кривой напряжения, n-ой гармонической составляющей напряжения, временного перенапряжения; отклонение частоты; длительности провала напряжения, временного перенапряжения; глубину провала напряжения; размах изменения напряжения; кратковременную и длительную дозу фликера; угол фазового сдвига между фазными напряжениями основной частоты; активную и реактивную мощности.
Измерения ПКЭ и их дальнейший анализ при работе асинхронного двигателя проводились с использованием средств измерений и программного обеспечения типа «Ресурс». Измерители «Ресурс-UF2M» имеют один четырехканальный универсальный вход измерения напряжения и два четырехканальных входа тока (с номинальными значениями тока 1 и 5 А).
На рис. 1 показан измерительный стенд: трёхфазный источник питания, асинхронный двигатель, прибор «Ресурс-UF2М» с токоизмерительными клещами.
Рис. 1. Измерительный стенд с прибором «Ресурс-UF2М»
Входы напряжения и каждый вход тока гальванически изолированы между собой, что позволяет подключать прибор последовательно с другими устройствами (счетчиками электроэнергии, регистраторами и т.п.). Для измерения в схемах с двумя трансформаторами тока применяется специальный режим, когда отсутствующий ток рассчитывается на основании измеряемых. Измерители могут быть использованы в качестве образцовых счетчиков электроэнергии при проверке (или поверке) счетчиков электроэнергии классов точности 0,5 и менее точных на месте эксплуатации. Устройства считывания подключаются к интерфейсу RS-232 измерителя.
В качестве схемы измерения была выбрана трехфазная четырехпроводная система, так как она соответствует схеме подключения анализатора «Ресурс-UF2М» (рис. 2).
Рис. 2. Трехфазная четырехпроводная схема измерения напряжения (220/380 В) с использованием токоизмерительных клещей
Все полученные данные измерялись с интервалом 1 секунда и имеют очень большой объем в табличном эквиваленте. Для получения усредненных суточных графиков с минутным интервалом измерения воспользуемся методикой обработки и анализа результатов программного обеспечения «Ресурс-UF2Plus». Оно предназначено для чтения всех архивируемых значений параметров с измерителей ПКЭ типа «Ресурс», их отображения, сохранения и экспорта в Microsoft Excel. Также обеспечивает работу с файлами, записанными измерителями «Ресурс-UF2М» непосредственно на подключенный внешний USB-накопитель данных типа flash-диска.
В качестве электродвигателя использовался трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором марки АИР56А4УЗ, параметры которого приведены в таблице.
Технические данные асинхронного двигателя АИР56А4УЗ
|
Наименование параметра |
Значение |
|
Высота оси вращения вала, h |
56 мм |
|
Мощность, PH |
0,12 кВт |
|
Синхронная скорость вращения, n1 |
1500 об/мин |
|
Номинальная скорость вращения, nH |
1350 об/мин |
|
КПД, η |
0,63 |
|
Коэффициент мощности, cos φ |
0,66 |
|
Номинальное напряжение, UH |
220/380 В |
|
Номинальный ток, IH |
0,76/0,44 А |
|
Соединение обмоток |
|
|
Число пар полюсов, 2p |
2 |
|
Класс изоляции |
В |
|
Режим работы |
S1 |
В качестве результатов измерений приведем данные об отклонениях фазных и межфазных напряжений, отклонениях частоты, активной и реактивной мощностях, коэффициента мощности, коэффициентов несимметрии по нулевой и обратной последовательности, коэффициентах искажения синусоидальности фазных и межфазных напряжений, коэффициентах n-ых гармонических составляющих, фазовых углов между токами и напряжениями, кратковременной дозы фликера. Графики будем приводить только для параметров, имеющих значительные отклонения от норм ПКЭ.
1. Отклонение фазных и межфазных напряжений: значения отклонений по фазе А превышают номинально допустимое значение 5 % и достигают 6,14 %, что в 1,23 раза больше нормы; показания на фазах В и С не превышают номинально допустимое значение 5 %; отклонения межфазных напряжений находятся в пределах нормы и не превышают 5 % (рис. 3).
Рис. 3. Показатели отклонения фазных и межфазных напряжений
2. Отклонения частоты: отклонений частоты по номинальному и предельному допустимым значениям зарегистрировано не было; показатели находятся в пределах нормы и отклонения не превышают 0,2 Гц.
3. Значения активной и реактивной мощностей: в целом показания активной и реактивной мощностей соответствуют техническим параметрам двигателя и в среднем находятся в пределах 0,26 кВт и 0,056 кВАр соответственно (рис. 4).
4. Коэффициент мощности: показания коэффициента мощности в целом являются соответствующиеми требованиям и не опускаются ниже 0,2, что соответствует режиму работы двигателя на холостом ходу.
5. Коэффициенты несимметрии по нулевой и обратной последовательности: коэффициент несимметрии по обратной последовательности не превышает ни предельного, ни номинально допустимого значения, и его максимум составляет 0,68 %, тогда как коэффициент несимметрии по нулевой последовательности превышает предельно допустимое значение, которое составляет 4 % на 1,86 % и составляет 5,86 % (рис. 5).
6. Коэффициент искажения синусоидальности: показания коэффициентов искажения синусоидальности фазных и межфазных напряжений не превышает номинально допустимого значения, которое равно 8 %, и лишь в некоторые периоды времени искажения синусоидальности подбирается к 6 %.
7. Коэффициенты n-х гармонических составляющих: показания коэффициентов n-х гармонических составляющих как фазного, так и межфазного напряжений за весь период измерений не превышали номинально допустимых значений для всего ряда гармоник трехфазной сети со 2 по 40.
8. Фазовые углы между током и напряжением: показания фазовых углов между токами и напряжениями примерно равны по всем фазам и колеблются от 75 до 80 градусов.
Рис. 4. Показатели активной и реактивной мощностей
Рис. 5. Показатели коэффициентов несимметрии по нулевой и обратной последовательности
9. Кратковременная доза фликера: показания кратковременной дозы фликера в целом колеблются возле значения 0,4 pst, что соответствует норме (не более 1 pst) и лишь в редкие интервалы времени происходит увеличение максимума до 1,6 pst (рис. 6).
В заключение подведем итоги по соответствию измеренных показателей качества электроэнергии требованиям ГОСТа. Соответствие качества электроэнергии выполняется: по отклонению частоты, коэффициенту искажения синусоидальности напряжения, по коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения, по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности; не выполняется: по установившемуся отклонению напряжения, по коэффициенту несимметрии напряжений по нулевой последовательности.
Рис. 6. Показатели кратковременной дозы фликера
Таким образом, можно отметить, что в целом при работе асинхронного двигателя от трёхфазной сети при прямом пуске качество электрической энергии соответствует требованиям ГОСТа. Исследования по измерению ПКЭ при работе асинхронного двигателя будут продолжены для случая работы от преобразователя частоты.
Рецензенты:
Петров В.Л., д.т.н., профессор, проректор по учебной работе МГГУ, зам. председателя Совета УМО вузов РФ по образованию в области горного дела, г. Москва;
Зырянов И.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой ГиНД, Политехнического института (филиала), ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова», зам. директора по науке НИИ «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ОАО), г. Мирный.
Работа поступила в редакцию 23.07.2014