Вдосконалення підходів визначення параметрів тролейних шинопроводів систем цехового електропостачання з нелінійними навантаженнями
Вантажиться...
Дата
2021
Автори
ORCID
DOI
Науковий ступінь
доктор філософії
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка
Рада захисту
Спеціалізована вчена рада ДФ 64.050.067
Установа захисту
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Науковий керівник
Коцур Михайло Ігорович
Члени комітету
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка – Національний університет "Запорізька політехніка", Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Запоріжжя, 2021. Об'єкт дослідження – електромагнітні процеси в тролейних шинопроводах систем цехового електропостачання в умовах впливу гармонійних складових струму навантаження. Предмет дослідження – електромагнітні параметри тролейних шинопроводів систем цехового електропостачання при нелінійному навантаженні. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального науково-прикладного завдання, спрямованого на вдосконалення підходів моделювання електромагнітних процесів і підвищення точності визначення параметрів тролейного шинопровода з врахуванням впливу гармонійних складових струму навантаження. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі встановлено, що існуючі методики розрахунку активного та реактивного опорів та електромагнітних параметрів тролейних шинопроводів, що основані на польовому моделюванні не забезпечують високу точність та ефективність, так як не враховують наявність гармонійних складових струму. Інші методики розрахунку параметрів тролейних шинопроводів, що основані на емпіричних залежностях та застосовуються на інженерній практиці мають припущення щодо відсутності впливу скін-ефектів, ефектів близькості, поверхневих та інших крайових ефектів, не враховують електрофізичні та нелінійні властивості матеріалів провідників. Відсутні дослідження щодо порівняльного аналізу активного та реактивного опорів й електромагнітних параметрів існуючих профілів тролеїв. Недостатня вивченість електромагнітних процесів при наявності вищих гармонік струму в провідниках шинопровода, не встановлені співвідношення падіння напруги та активних втрат для різних форм тролеїв шинопровода від спектрів частот і амплітуд k -х гармонік струму та коефіцієнту гармонійних спотворень. В другому розділі удосконалено метод польового розрахунку, на основі якого запропоновано математичну двовимірну польову модель електромагнітних процесів в елементах конструкції тролейного шинопровода у частотній постановці задачі, яка у порівнянні з просторовою часовою моделлю електромагнітного поля, дозволяє з високою точністю (1,88%÷2,06%) та ефективністю чисельної реалізації для кожної відповідної амплітуди і частоти k - ї гармоніки струму навантаження визначати активний та реактивний опори та електромагнітні параметри тролейного шинопровода з врахуванням їх конструктивних особливостей, нелінійності магнітних та електрофізичних властивостей матеріалів, скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих та інших крайових ефектів. За результатами польового розрахунку встановлено співвідношення падіння напруги та активних втрат для різних форм тролеїв шинопровода від спектрів частот і амплітуд k -х гармонік струму і коефіцієнту гармонійних спотворень, що дозволяє виявити ступінь і характер впливу на асиметрію падіння напруги і параметрів тролеїв шинопровода. Проведено дослідження та порівняльний аналіз активних і реактивних опорів L, W, I, U, X- форм тролеїв шинопровода з врахуванням впливу скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих та інших крайових ефектів. Встановлено, що найбільш оптимальною формою сталевих і мідних тролеїв шинопровода є куткова форма тролеїв (L-форма), для якої забезпечується найменше значення активного і реактивного опорів, активних втрат і втрат напруги, а також найменший рівень несиметрії між фазами шинопровода, як при основній, так і при вищих гармоніках струму. Встановлено, що при наявності вищих гармонік струму, параметри (активний і реактивний опори) тролеїв шинопровода не залежать від амплітуди k -х гармонік струму, а залежать лише від їх частоти. Значення падіння напруги при визначених параметрах тролеїв шинопровода з врахуванням впливу скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих, та інших крайових ефектів має прямо пропорційну залежність від амплітуди k -х гармонік струму. Рівень несиметрії падіння напруги для всіх форм фазних тролеїв шинопровода викликано несиметрією їх параметрів. Запропоновано алгоритм, який дозволяє на основі даних польового моделювання, з врахуванням особливості конструкції тролейного шинопровода (форми тролеїв, їх розташування, при та без наявності екрануючих елементів) та скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих, та інших крайових ефектів встановити функціональну залежність падіння напруги від частоти та амплітуди вищих гармонік струму, яка представлена у вигляді бікубічного полінома, і дозволяє для діючих спектрів і амплітуд вищих гармонік струму, підібрати необхідні значення коефіцієнтів полінома без витрат часу на польове моделювання. В третьому розділі удосконалено підхід щодо визначення активного та реактивного опорів й електромагнітних параметрів тролейного шинопровода з врахуванням гармонійних складових струму навантаження, конструктивних особливостей тролеїв, нелінійності магнітних та електрофізичних властивостей матеріалів, скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих та інших крайових ефектів. На основі даного підходу запропоновано нову методику, яка з високою точністю та ефективністю без витрат часу на польове моделювання, для кожної k -ї гармоніки струму дозволяє визначити значення активного, реактивного опорів і падіння напруги з врахуванням і без врахування дії зовнішнього магнітного поля, незалежно від форми і розташування тролеїв, відстані між ними і кількості фаз шинопровода. Вдосконалено математичну модель щодо визначення втрат напруги в тролеях шинопровода в залежності від коефіцієнту потужності мережі, яка відрізняється від відомої тим, що дозволяє для кожного спектру частоти вищих гармонік струму врахувати кут зсуву за фазою падіння напруги, викликаного дією зовнішнього магнітного поля від струмів в сусідніх тролеях шинопровода, який дорівнює arctg(Xk/Rk). Нев’язка втрати напруги за вдосконаленою математичною моделлю та результатами польового розрахунку при основній гармоніці струму складає |δΔU1| ≤ 0,02%, при врахуванні вищих гармоніках струму – |δΔUрез| ≤ 0,14%. Засобами експериментального дослідження доведено адекватність та високу точність (3,03÷8,57% в залежності від cosϕ) запропонованого підходу щодо визначення активного та реактивного опорів й електромагнітних параметрів тролейного шинопровода. В четвертому розділі запропонована імітаційна модель взаємопов’язаних електромагнітних процесів між електроприводом механізму переміщення та струмопровідними елементами мостового крана, яка відрізняється тим, що дозволяє за даними розрахунку польової моделі використовувати інтегровані параметри тролеїв шинопровода та визначити їх електромагнітні параметри в залежності від відстані розташування мостового крана до точки живлення тролеїв шинопровода. На прикладі роботи механізму переміщення існуючого мостового крана 32т механічного цеху ТОВ "ЗЛМЗ" м. Запоріжжя проведено дослідження взаємопов’язаних електромагнітних процесів між електроприводами механізму переміщення мостового крану та тролеями шинопровода. Встановлені закономірності моменту асинхронного електроприводу від втрат напруги в тролеях шинопровода, що дозволяють, як при основній так і при вищих гармоніках струму, визначити максимальну допустиму відстань переміщення мостового крану до точки підживлення секції тролеїв шинопровода, при якій забезпечується безаварійна робота електроприводу мостового крану, а також визначити кількість точок підживлення секцій тролеїв шинопровода та відстані між ними, що забезпечить однаковий рівень втрат напруги та активних втрат в тролеях шинопровода при основній гармоніці і з врахуванням вищих гармонік струму навантаження. На основі теоретичного дослідження були розроблені рекомендації щодо зниження втрат напруги та активних втрат в тролеях шинопровода при роботі частотно-регульованого електроприводу механізмів мостового крану. Результати дисертаційних досліджень впроваджені та використані на ТОВ "Запорізький ливарно-механічний завод" м. Запоріжжя (гірничо-металургійної групи ТОВ "Метінвест Холдинг"), що забезпечило збереження проектних показників втрат напруги та активних втрат в тролеях шинопровода живлення мостового крану після модернізації на частотно-регульований електропривод.
The dissertation on competition of PhD degree on a specialty 141 - Electrical Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics - National University “Zaporizhzhia Polytechnic", National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Zaporizhzhia, 2021. Object of research are electromagnetic processes in trolley busbars of shop power supply systems effected by harmonic components of load current. Subject of research are electromagnetic parameters of trolley busbars of shop power supply systems effected by nonlinear loads. The dissertation work is devoted to the decision of the actual scientific and applied problem directed on improvement of approaches of modeling of electromagnetic processes and increase of accuracy of definition of parameters of a trolley busbar taking into account influence of harmonic components of loading current. The introduction substantiates the relevance of research objectives, shows the relationship of work with scientific programs, plans, topics, provides scientific novelty and formulates the practical significance of the results. In the first chapter is decided the existing methods of calculation of resistance and reactance and electromagnetic parameters of trolley busbars based on field modeling do not provide high accuracy and efficiency. It does’t take into account the presence of harmonic current components. Other methods of calculating the parameters of trolley busbars, based on empirical dependencies and used in engineering practice, has assumptions about the absence of skin effects, proximity effects, surface and other edge effects. Also, the known methods do not take into account the electrophysical and nonlinear properties of conductor materials. There are no studies on the comparative analysis of resistance and reactance and electromagnetic parameters of existing trolley shape. Insufficient study of electromagnetic processes in the presence of higher current harmonics in the conductors of the busbar, the ratio of voltage drop and active losses for different shapes of trolleys of the busbar from the spectra of frequencies and amplitudes k -th harmonics of current and coefficient of harmonic distortions. In the second chapter the method of field calculation is improved, on the basis of which the mathematical two-dimensional field model of electromagnetic processes in elements of a design of a trolley busbar in frequency statement of a problem is offered. It allows in comparison with the spatial time-depend model of the electromagnetic field with high accuracy (1,88%÷2,06%) and the efficiency of the numerical implementation for each corresponding amplitude and frequency k -th load current harmonics to determine the resistance and reactance and electromagnetic parameters of the trolley busbar taking into account their design features, nonlinearity of magnetic and electrophysical properties of materials, skin effect, proximity effect, surface and other edge effects. According to the results of the field calculation, the ratio of voltage drop and active losses for different shapes of busbar trolleys from the spectra of frequencies and amplitudes was established for k -th harmonics of current and coefficient of harmonic distortions. It allows to reveal degree and character of influence on asymmetry of voltage drop and parameters of trolleys busbar. A research and comparative analysis of resistance and reactance L, W, I, U, X- shapes of busbar trolleys taking into account the influence of skin effect, proximity effect, surface and other edge effects. It is established that the most optimal form of steel and copper trolleys of a busbar is an angular form of trolleys (L-shape). It provides the lowest value of resistance and reactance, active losses and voltage drops, as well as the lowest level of asymmetry between the phases of the busbar, both at the main and at higher current harmonics. It is established, that in the presence of higher current harmonics, the parameters (resistance and reactance) of the busbar trolleys does not depend on the amplitude k -th harmonics of current, and depend only on their frequency. The value of the voltage drop at certain parameters of the busbar trolleys, taking into account the effect of the skin effect, the effect of proximity, surface, and other edge effects is directly proportional to the amplitude k -th current harmonics. The level of voltage drop asymmetry for all shapes of phase trolleys busbar is caused by the asymmetry of their parameters. An algorithm is proposed that allows to determine the functional dependence of voltage drop based on field modeling data, taking into account the design features of trolley busbar (trolley shape, their location, with and without shielding elements) also skin effect, proximity effect, surface and other edge effects from the frequency and amplitude of the higher current harmonics. The functional dependence is presented in the form of a bicubic polynomial, and allows for the operating spectra and amplitudes of the higher current harmonics to select the required values of the polynomial coefficients without spending time on field modeling. The third chapter improves the approach to determine the resistance and reactance and electromagnetic parameters of the trolley busbar, taking into account the harmonic components of the load current, design features of trolleys, nonlinearity of magnetic and electrophysical properties of materials, skin effect, proximity effect, surface and other edge effects. Based on this approach, a new methodology is proposed. This allows with high accuracy and efficiency without spending time on field modeling, for each k -th current harmonic allows to determine the value of resistance, reactance and voltage drop taking into account and without taking into account the external magnetic field, regardless of the shape and location of trolleys, distance between trolleys and the number of phases of the busbar. Improved mathematical model for determining voltage drops in busbar trolleys depending on the network power factor. It differs from that known in that it allows for each frequency spectrum of the higher harmonics of the current to take into account the phase shift angle of the voltage drop caused by the external magnetic field from the currents in adjacent trolleys of the busbar, which is equal to arctg(Xk/Rk). Error voltage drops according to the improved mathematical model and the results of field calculation at the fundamental harmonic of the current is |δΔU1| ≤ 0,02%, taking into account the higher current harmonics – |δΔUрез| ≤ 0,14%. Adequacy and high accuracy have been proved by means of experimental research (3,03÷8,57% depending on cosϕ) of the proposed approach for determining the resistance, reactance and electromagnetic parameters of the trolley busbar. In the fourth chapter the simulation model of interconnected electromagnetic processes between the electric drive of the mechanism of movement and current-carrying elements of the bridge crane is offered. It differs in that it allows the calculation of the field model to use the integrated parameters of the busbar trolleys and determine their electromagnetic parameters depending on the distance of the bridge crane to the power supply point of the busbar trolleys. On the example of the mechanism of movement of the existing bridge crane 32t of the mechanical shop of LLC “Zaporizhzhia Foundry and Mechanical Plant”, Zaporizhzhia, a study of interconnected electromagnetic processes between the electric drives of the mechanism of movement of the bridge crane and trolleys of the busbar. The regularities of the torque of the induction motor from voltage drops in the trolleys of the busbar are established. This allows, both at the main and at higher current harmonics, to determine the maximum allowable distance of movement of the bridge crane to the feed point of the trolley section of the busbar, which ensures trouble-free operation of the electric drive of the bridge crane. And also it allows to define quantity of feeding points of sections of trolleys of a busbar and distance between them that will provide the same level voltage drop and active losses in trolleys of a busbar at the basic harmonic and taking into account higher harmonics of loading current. Based on the theoretical research, recommendations were developed to reduce voltage drop and active losses in the trolleys of the busbar during the operation of the frequency-regulated electric drive of the bridge crane mechanisms. The results of this work were implemented and used at LLC “Zaporizhzhia Foundry and Mechanical Plant”, Zaporizhzhia (mining and metallurgical group of Metinvest Holding LLC). It ensured the preservation of the design indicators of voltage drop and active losses in the trolleys of the busbar power supply of the bridge crane after the modernization of the frequency-regulated electric drive.
The dissertation on competition of PhD degree on a specialty 141 - Electrical Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics - National University “Zaporizhzhia Polytechnic", National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Zaporizhzhia, 2021. Object of research are electromagnetic processes in trolley busbars of shop power supply systems effected by harmonic components of load current. Subject of research are electromagnetic parameters of trolley busbars of shop power supply systems effected by nonlinear loads. The dissertation work is devoted to the decision of the actual scientific and applied problem directed on improvement of approaches of modeling of electromagnetic processes and increase of accuracy of definition of parameters of a trolley busbar taking into account influence of harmonic components of loading current. The introduction substantiates the relevance of research objectives, shows the relationship of work with scientific programs, plans, topics, provides scientific novelty and formulates the practical significance of the results. In the first chapter is decided the existing methods of calculation of resistance and reactance and electromagnetic parameters of trolley busbars based on field modeling do not provide high accuracy and efficiency. It does’t take into account the presence of harmonic current components. Other methods of calculating the parameters of trolley busbars, based on empirical dependencies and used in engineering practice, has assumptions about the absence of skin effects, proximity effects, surface and other edge effects. Also, the known methods do not take into account the electrophysical and nonlinear properties of conductor materials. There are no studies on the comparative analysis of resistance and reactance and electromagnetic parameters of existing trolley shape. Insufficient study of electromagnetic processes in the presence of higher current harmonics in the conductors of the busbar, the ratio of voltage drop and active losses for different shapes of trolleys of the busbar from the spectra of frequencies and amplitudes k -th harmonics of current and coefficient of harmonic distortions. In the second chapter the method of field calculation is improved, on the basis of which the mathematical two-dimensional field model of electromagnetic processes in elements of a design of a trolley busbar in frequency statement of a problem is offered. It allows in comparison with the spatial time-depend model of the electromagnetic field with high accuracy (1,88%÷2,06%) and the efficiency of the numerical implementation for each corresponding amplitude and frequency k -th load current harmonics to determine the resistance and reactance and electromagnetic parameters of the trolley busbar taking into account their design features, nonlinearity of magnetic and electrophysical properties of materials, skin effect, proximity effect, surface and other edge effects. According to the results of the field calculation, the ratio of voltage drop and active losses for different shapes of busbar trolleys from the spectra of frequencies and amplitudes was established for k -th harmonics of current and coefficient of harmonic distortions. It allows to reveal degree and character of influence on asymmetry of voltage drop and parameters of trolleys busbar. A research and comparative analysis of resistance and reactance L, W, I, U, X- shapes of busbar trolleys taking into account the influence of skin effect, proximity effect, surface and other edge effects. It is established that the most optimal form of steel and copper trolleys of a busbar is an angular form of trolleys (L-shape). It provides the lowest value of resistance and reactance, active losses and voltage drops, as well as the lowest level of asymmetry between the phases of the busbar, both at the main and at higher current harmonics. It is established, that in the presence of higher current harmonics, the parameters (resistance and reactance) of the busbar trolleys does not depend on the amplitude k -th harmonics of current, and depend only on their frequency. The value of the voltage drop at certain parameters of the busbar trolleys, taking into account the effect of the skin effect, the effect of proximity, surface, and other edge effects is directly proportional to the amplitude k -th current harmonics. The level of voltage drop asymmetry for all shapes of phase trolleys busbar is caused by the asymmetry of their parameters. An algorithm is proposed that allows to determine the functional dependence of voltage drop based on field modeling data, taking into account the design features of trolley busbar (trolley shape, their location, with and without shielding elements) also skin effect, proximity effect, surface and other edge effects from the frequency and amplitude of the higher current harmonics. The functional dependence is presented in the form of a bicubic polynomial, and allows for the operating spectra and amplitudes of the higher current harmonics to select the required values of the polynomial coefficients without spending time on field modeling. The third chapter improves the approach to determine the resistance and reactance and electromagnetic parameters of the trolley busbar, taking into account the harmonic components of the load current, design features of trolleys, nonlinearity of magnetic and electrophysical properties of materials, skin effect, proximity effect, surface and other edge effects. Based on this approach, a new methodology is proposed. This allows with high accuracy and efficiency without spending time on field modeling, for each k -th current harmonic allows to determine the value of resistance, reactance and voltage drop taking into account and without taking into account the external magnetic field, regardless of the shape and location of trolleys, distance between trolleys and the number of phases of the busbar. Improved mathematical model for determining voltage drops in busbar trolleys depending on the network power factor. It differs from that known in that it allows for each frequency spectrum of the higher harmonics of the current to take into account the phase shift angle of the voltage drop caused by the external magnetic field from the currents in adjacent trolleys of the busbar, which is equal to arctg(Xk/Rk). Error voltage drops according to the improved mathematical model and the results of field calculation at the fundamental harmonic of the current is |δΔU1| ≤ 0,02%, taking into account the higher current harmonics – |δΔUрез| ≤ 0,14%. Adequacy and high accuracy have been proved by means of experimental research (3,03÷8,57% depending on cosϕ) of the proposed approach for determining the resistance, reactance and electromagnetic parameters of the trolley busbar. In the fourth chapter the simulation model of interconnected electromagnetic processes between the electric drive of the mechanism of movement and current-carrying elements of the bridge crane is offered. It differs in that it allows the calculation of the field model to use the integrated parameters of the busbar trolleys and determine their electromagnetic parameters depending on the distance of the bridge crane to the power supply point of the busbar trolleys. On the example of the mechanism of movement of the existing bridge crane 32t of the mechanical shop of LLC “Zaporizhzhia Foundry and Mechanical Plant”, Zaporizhzhia, a study of interconnected electromagnetic processes between the electric drives of the mechanism of movement of the bridge crane and trolleys of the busbar. The regularities of the torque of the induction motor from voltage drops in the trolleys of the busbar are established. This allows, both at the main and at higher current harmonics, to determine the maximum allowable distance of movement of the bridge crane to the feed point of the trolley section of the busbar, which ensures trouble-free operation of the electric drive of the bridge crane. And also it allows to define quantity of feeding points of sections of trolleys of a busbar and distance between them that will provide the same level voltage drop and active losses in trolleys of a busbar at the basic harmonic and taking into account higher harmonics of loading current. Based on the theoretical research, recommendations were developed to reduce voltage drop and active losses in the trolleys of the busbar during the operation of the frequency-regulated electric drive of the bridge crane mechanisms. The results of this work were implemented and used at LLC “Zaporizhzhia Foundry and Mechanical Plant”, Zaporizhzhia (mining and metallurgical group of Metinvest Holding LLC). It ensured the preservation of the design indicators of voltage drop and active losses in the trolleys of the busbar power supply of the bridge crane after the modernization of the frequency-regulated electric drive.
Опис
Ключові слова
дисертація, тролейний шинопровід, електромагнітне поле, чисельне моделювання, активний опір, індуктивний опір, падіння напруги, електромагнітні процеси, гармонійний склад струмів, trolley busbar, electromagnetic field, numerical simulation, resistance, inductance, voltage drop, electromagnetic processes, harmonic current composition
Бібліографічний опис
Безверхня Ю. С. Вдосконалення підходів визначення параметрів тролейних шинопроводів систем цехового електропостачання з нелінійними навантаженнями [Електронний ресурс] : дис. ... д-ра філософії : спец. 141 : галузь знань 14 / Юлія Сергіївна Безверхня ; наук. керівник Коцур М. І. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т" ; Нац. ун-т "Запоріз. політехніка". – Харків, 2021. – 210 с. – Бібліогр.: с. 177-198. – укр.