Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5

182

()

{}

()

{}

()

Re cos

Re .

ui C

BWjB

Wj S d

∞∞

∞

=ωξω

∫∫

∫

ξω=

(5.32)

Заменив в (5.21) оператор на jω, после несложных преоб-

разований согласно (5.32) при τ = 0 найдем искомые потери

()

22 22

11 10

(0) .

ui C

PB kS d

∞

νν

+ω

∆= = ω ω

−ω +ω

∫

(5.33)

Здесь спектральная плотность измеряется в (%)

⋅с, а поте-

ри в (%)

напряжения, умноженных на о.е. эквивалентной ак-

тивной проводимости. Для перехода к потерям мощности в кВт

надо выражение (5.33) умножить на

нн

10 ,

−

⋅

т.е. на

квар.

10Q

−

⋅

Сопоставляя (5.33) с общей формулой (2.48), заключаем,

что ВФ динамической модели ЭМС по средним потерям мощ-

ности должен иметь АЧФ

()

22 22

11 10

∆

+ω

ω=

−ω +ω

(5.34)

Структура формул (5.24) и (5.34) одинакова, поэтому пе-

редаточная функция ВФ аналогична (5.21) или (5.23):

()()

12 12

22 2

11 10 11 1 2

() .

PC C

Tp Tp

Wpk k

Tp Tp T p p p p

∆

++ − −

(5.35)

Переходная функция вычисляется по формуле (5.28), но в

нее и в выражение для ϕ

подставляется величина

Математические модели для оценивания параметров несинусоидальных режимов

183

()

12 8

12 1

=−α−

Структурная схема ВФ по потерям мощности (рис. 5.11)

аналогична схеме ВФ по току (рис. 5.8) – отличие в том, что

форсирующее звено 10 имеет постоянную времени Т

, а на его

входе протекает отличающийся от i

Cν

процесс у

∆Р

, но тоже в

процентах от номинального тока.

∆P

Рис. 5.11. Структурная схема ВФ по потерям мощности КУ

В частном случае периодической помехи дисперсия кано-

нической гармоники частотой пω

равна квадрату коэффициента

гармоники, а спектральная плотность

() (

nf Un f

Sn K n

∞

)

=δω−ω

∑

выражается через δ-функции. Интегрирование согласно (5.33)

дает потери мощности

()

22 2

22 2 22 2

11 10

nC Un

Pk K

nT nT

∞

+ω

∆=

−ω +ω

∑

(5.36)

Тангенс потерь

()

(

)

{

}

()

{}

()

710 711

TT TT

+ω

δω= =

ω−−ω

(5.37)

существенно зависит от частоты. В нуле реактивная мощность

Раздел 5

184

отсутствует, и тангенс обращается в бесконечность. С увеличе-

нием частоты он вначале очень быстро убывает, а затем возрас-

тает до бесконечности – при резонансной частоте (5.27), когда

выражение в скобках знаменателя обращается в нуль. Дальней-

шее увеличение частоты приводит к неограниченному умень-

шению тангенса. Слева от резонансной частоты знак тангенса

положительный, справа – отрицательный

В действующих сетях электроснабжения спектральная

плотность обращается в нуль при частотах, намного меньших

резонансной. В [6] не учитываются частоты гармоник более

2000 Гц, т.е. с угловой частотой ω

= 4000π рад

с. В этом диапа-

зоне АЧФ практически линейна, а знаменатель в (5.33) и (5.36)

пренебрежительно мало отличается от единицы, что позволяет

записать эти формулы в виде:

()

PkS Td

νν

∆

=ω+ω

∫

)

(5.38)

(5.39)

(

222

nC Un f

Pk K n T

∆= +ω

∑

Если к тому же спектральная плотность ограничена по

частоте и слева, как, например, на рис. 5.3, то расчетные форму-

лы еще более упрощаются:

(5.40)

() ()

пп

22 22

12 н

PkT S d zrC S d

ωω

νν ν

∆≈ ωωω= ωωω

∫∫

(5.41)

40 40

22 22 22 22

12 н

nCf UnCf Un

Pk T nK zrC nK

∆=ω = ω

∑∑

Формулы (5.38) и (5.39) относятся к схеме замещения КУ

в виде форсирующего звена, имеющего переходную функцию

()

() 1() .

ht ku t T t

⎡

⎤

=+δ

⎣

⎦

Математические модели для оценивания параметров несинусоидальных режимов

185

В этом случае

()

tg .Tr

TrC

δω= +ω = +ω

ωω

Формулы же (5.40) и (5.41) относятся к идеальному кон-

денсатору с переходной функцией вида (5.29) и

(

)

tg .rCδω≈ω

Идеальный конденсатор потерь мощности в диэлектрике

не имеет, но они есть в металлических проводниках.

Формулы (5.19) и (5.41) имеют разную структуру, так как

относятся к диэлектрикам разного вида. Для того, чтобы реали-

зовать допущение о постоянстве угла потерь, как в (5.19), необ-

ходима схема замещения с релаксаторами: например, для непо-

лярного диэлектрика полистирола

в табл. 4-1 из [15] рекомен-

дуются 8 релаксаторов.

Модели в виде форсирующего или дифференцирующего

звеньев можно применять только к помехам с ограниченным

частотным диапазоном, поскольку интегрирование спектраль-

ных плотностей недифференцируемых процессов в бесконечных

пределах приводит к бесконечно большим потерям мощности,

что противоречит физическому смыслу.

Интегрирование в (5.33) представляет собой операцию на-

хождения дисперсии процесса

(

)

∆

Тем самым предполагает-

ся, что среднее значение помехи равно нулю. В этом случае

дисперсия совпадает с квадратом эффективного значения, т.е. с

потерями ∆Р в процентах. На некоторых участках среднее зна-

чение может отличаться от нуля (п. 5.1), поэтому динамическая

модель ЭМС (рис. 5.12) помимо ВФ должна иметь квадратор 2 и

звено 6 вычисления

среднего значения, которые дают квадрат

эффективного значения у

∆Рэ

, а не дисперсию. Для перехода к

кВт в модели имеется пропорциональное звено 4 с коэффициен-

том передачи

Раздел 5

186

(5.42)

10 ,

−

ν∆

= Q

выраженным в кВт

(%)

ВФ

∆Р

∆

(%)

∆

(%)

∆

кВт

ν∆Р

Рис. 5.12. Структурные схемы динамических моделей ЭМС КУ по

потерям мощности

5.6. Динамические модели ЭМС трансформаторов и линий

электропередачи по несинусоидальности напряжения

В частном случае периодической помехи, представляемой

суммой канонических гармоник, температура дополнительного

нагрева трансформатора от несинусоидальности напряжения

дается формулой [53]

10 ,

dn K

∞

−

⎛

∆ϑ = + +

⎜

⎝⎠

∑

⎞

⎟

(5.43)

в которой коэффициенты d

, d

и d

принимаются равными

2385,4; 117,9; 4016,4 – для цеховых трансформаторов и 596,3;

29,5; 1004,1 – для специальных трансформаторов 6-10 кВ.

В пренебрежении потерями холостого хода дополнитель-

ные потери активной мощности в кВт

кз

0,607 0,05 ,

∞

∆

⎛

∆= +

⎜

⎝⎠

∑

⎞

⎟

(5.44)

где ∆Р

кз

– потери КЗ в кВт, и

кз

– напряжение КЗ в процентах.

При оценивании влияния канонических гармоник на ЛЭП

необходимо учитывать явление поверхностного эффекта, кото-

рое с увеличением частоты приводит к увеличению линейного

Математические модели для оценивания параметров несинусоидальных режимов

187

активного сопротивления фаз по сравнению с его величиной r

лэп

на частоте 50 Гц. По этой причине потери активной мощности

нелинейно зависят от частоты. В кВт они определяются по то-

кам I

канонических гармоник в амперах по формуле [53]

лэп лэп

1, 41 .

Prn

∞

∆=

∑

I (5.45)

Хотя в формулах (5.43)-(5.45) верхний предел суммы бес-

конечен, неявно предполагается, что учитывается ограниченное

количество гармоник. В противном случае температура перегре-

ва и потери мощности могли бы оказаться чрезмерно большими

(теоретически – бесконечными). В действительности при очень

больших частотах индуктивное сопротивление первичной об-

мотки возрастает, что приводит к уменьшению тока и

потерь

мощности, а при частотах порядка 10000-50000 Гц начинает

сказываться шунтирующее действие емкостных связей. Как и в

[6], примем, что в этих формулах надо учитывать только п

= 40

гармоник.

В то же время аппроксимация найденных из опыта спек-

тральных плотностей выражениями вида (1.12), (1.13) и их ин-

тегрирование в бесконечных пределах удобно для аналитиче-

ских решений, так как можно использовать табличные опреде-

ленные интегралы или теорему о вычетах. Ограниченность час-

тотного диапазона учтем введением фильтра ФНЧ нижних час-

тот. Для

определенности примем фильтр Баттерворта второго

порядка

, который имеет постоянные времени [10]

Б2 ппБ1 Б2

11100, 2TnT=ω= π = ,T

передаточную функцию

()

нч

Б2 Б1

Tp Tp

(5.46)

Во фликер-модели принят фильтр Баттерворта шестого порядка [58].

Раздел 5

188

и АЧФ

()

нч

22 22

Б2 Б1

ω=

−ω +ω

(5.47)

Подставив сюда выражения для постоянных времени, вы-

разим АЧФ через относительные величины частот:

()

нч

22 22

пп

ν= =

+ν

−ν + ν

(5.48)

При п

= 40 получим следующие значения:

Б2

= 7,598⋅10

–5

с, Т

Б1

= 0,00125 с,

13,90610n .

−

=⋅

Выбор ВФ динамической модели ЭМС должен осуществ-

ляться либо по схеме замещения трансформатора, в которой

учитывается нагрузка и зависимость сопротивлений от частоты,

либо путем идентификации по опытным данным. Подбор анали-

тических выражений для экспериментальных зависимостей вида

(5.43) затруднен тем, что их необходимо распространять на весь

частотный диапазон, а не только

в пределах от п = 2 до 40. В

самом деле, формула (5.44) дает бесконечность не только при

неограниченном возрастании частоты, но и при ω = 0. Для про-

стоты ограничимся здесь кусочной аппроксимацией АЧФ

фильтра без выбора его структуры.

Рассмотрим вначале дополнительные потери мощности в

трансформаторах. Исходным являются соотношение (5.44), ко-

торое выразим в процентах от номинальной

мощности S

в кВА:

кз

кз н

60,7

0,05 .

∆

⎛

∆= +

⎜

⎝⎠

∑

⎞

⎟

(5.49)

Отношение потерь КЗ к номинальной мощности в среднем

Математические модели для оценивания параметров несинусоидальных режимов

189

одинаково для цеховых и специальных трансформаторов и рав-

но 0,015, а напряжение КЗ различно: 7,5 % – цеховых и 15 % –

для специальных трансформаторов [53]. С учетом этого коэф-

фициент

кз

кз н

60,7

ν∆

∆

(5.50)

перед суммой будет равен 0,0162 для цеховых и 0,004 (%)

для

специальных трансформаторов.

Заменим в (5.49) номера гармоник на относительные зна-

чения ν частоты. В этом случае выражение в скобках дает квад-

рат АЧФ части ВФ. Соответствующая АЧФ

()

1,5 0,5

тп

0,05 при 2

−

ν∆

ν= ν + ν ≤ν≤



(5.51)

Полностью ВФ содержит еще и НЧФ с АЧФ (5.48). Пере-

множая АЧФ, для ВФ получим

()

1,5 0,5

0,05

при 2.

−

ν∆

ν+ ν

+ν

ν≥

(5.52)

Доопределим АЧФ в диапазоне ν от 0 до 2, для чего най-

дем ее значения при единице и в нуле.

При частоте ω

и напряжении K

потери в трансформато-

ре пропорциональны отношению величины K

к напряжению

КЗ. Выразим эти потери в процентах от номинальной мощности:

кз

кз н

100 1,6745 .

PUf

ν∆

∆

∆= = K

Отсюда следует, что для цеховых и специальных транс-

форматоров

Раздел 5

190

()

1 1,6745 1,2835 при 1.

ν∆

=ν= (5.53)

При ν = 0, т.е. при подаче на вход постоянного напряже-

ния величиной K

, ток протекает только по первичной обмотке

и ограничивается лишь ее омическим сопротивлением r

. При

частотах менее 50Гц можно пренебречь поверхностным эффек-

том, считая, что это сопротивление практически равно активно-

му сопротивлению, которое определяется по формуле

кз н

10 .

∆

Сюда входит активное сопротивление первичной обмотки

и приведенное сопротивление вторичной обмотки, которые рав-

ны между собой, поэтому

0 т

2.rr

Потери мощности в кВт

()

23 4 2

00н 0

0 кз

100 10 2 10 ,

PK U K

−

∆= ⋅ =⋅

∆

а в процентах от номинальной мощности

кз

0,02 .

∆=

∆

(5.54)

Умножив и разделив (5.54) на с

ν∆Р

, с учетом (5.50) полу-

чим

0 кз кз

кз

0,02

1,4644 .

60,7

Pc u cu

ν∆ ν∆

⎛⎞

∆= =

⎜⎟

∆

⎝⎠

(5.55)

В области малых частот АЧФ (5.48) мало отличается от

единицы, поэтому ФВЧ можно не учитывать. Из (5.55) найдем

значение АЧФ в нуле

Математические модели для оценивания параметров несинусоидальных режимов

191

()

ткзкз

01,46441,21 при 0.

Auu

ν∆

=ν= (5.56)

В отличие от (5.53) значения АЧФ в нуле для цеховых и

специальных трансформаторов различны: 9,07 и 18,14.

При ν = 2 формула (5.51) дает значение 0,6513. Таким об-

разом, на начальном участке АЧФ известны три ее значения:

при ν = 0, 1 и 2. Так как вид аппроксимирующего выражения не

известен, представим АЧФ в виде полиномов. Для того, чтобы

при частоте

ν = 2 не было изломов, компьютерную аппроксима-

цию выполним по четырем точкам: для абсцисс от 0 до 3. В ре-

зультате для цеховых трансформаторов при ν ≤ 2 получим

(

)

432

0,2897 2,8873 10,211 15,4 9,07.

ν∆

ν= ν− ν+ ν− ν+

(5.57)

Для специальных трансформаторов при ν от 0 до 1 фор-

мула аналогична

(

)

432

0,667 6,6664 23, 438 34,296 18,14,

ν∆

ν= ν− ν+ ν− ν+

(5.58)

а от 1 до 2 используется формула (5.57).

При изменении частоты от 0 и выше АЧФ вначале убыва-

ют (рис. 5.13) до значения 0,431 при ν = 7,75, а затем вновь воз-

растают. При больших частотах начинает сказываться действие

ФНЧ, в результате чего возрастание замедляется, и после дос-

тижения максимума величиной 0,474 при ν = 24 начинается

уменьшение. В области частот

до ν = 1 кривая 1 для цеховых

трансформаторов располагается ниже кривой 2: наибольшее

различие в

18,14 9,07 2

раза наблюдается в нуле. Однако по-

тери в цеховых трансформаторах больше, так как для них коэф-

фициент (5.50) в 4 раза превышает аналогичный коэффициент

для специальных трансформаторов.

Структурная схема динамической модели ЭМС транс-

форматора по потерям мощности полностью аналогична модели

для КУ (рис. 5.12) – отличие только в значениях коэффициента

передачи звена 4.

Перейдем к

анализу температуры дополнительного нагре-