141 "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/49050
Переглянути
Документ Вдосконалення підходів визначення параметрів тролейних шинопроводів систем цехового електропостачання з нелінійними навантаженнями(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Безверхня, Юлія СергіївнаДисертація 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.