Электромагнитная совместимость устройств на гибридных электромагнитных компонентах

Список литературы

1. Жежеленко И. В. Электрические потери от высших гармоник в системах электроснабжения // Электрика. 2010. № 4. С. 3-6.

2. Osipov D.S., Goryunov V. N., Faifer L. A., Kisselyov B. Yu., Dolgikh N.N. Development of conductive parts power losses calculation method in case of interharmonics // The Review Przeglad Elektrotechniczny. 2017. No 6. P. 146-149. DOI:10.15199/48.2017.06.33.

3. Elphick S.; Gosbell V.; Smith V.; Perera S.; Ciufo P. Drury G. Methods for Harmonic Analysis and Reporting in Future Grid Applications // IEEE Transactions on Power Delivery Vol. 32, Is. 2. 2017. P. 989-995. DOI: 10.1109/TPWRD.2016.2586963.

4. Mazumdar J., Ronald G. H., Frank C. L., Ganesh K. V. Neural Network Based Method for Predicting Nonlinear Load Harmonics // IEEE Transactions on Power Electronics, May 2007/ Vol 22. P. 1036-1045. DOI: 10.1109/TPEL.2007.897109.

5. Савченко А. А. [и др.]. Построение механической характеристики погружного насоса в составе установок электроцентробежных насосов // Актуальные проблемы и перспективы инновационного развития современной России. 2014. C. 62-70.

6. Старостин С. Г., Кузнецов Е. М, Аникин В. В., Дегтярёв А. В. Исследование потерь электроэнергии, вызванных наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов // Промышленная энергетика. 2012. № 1. С. 54-57.

7. Lee I.W.C.; Dash P.K. S-transform-based intelligent system for classification of power quality disturbance signals // IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 50. 2003. P. 800-805. DOI: 10.1109/TIE.2003.814991.

8. Soo-Hwan Cho; Gilsoo Jang; Sae-Hyuk Kwon. Time-Frequency Analysis of Power-Quality Disturbances via the Gabor-Wigner Transform // IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 25, Is. 1. 2010. P. 494-499. DOI: 10.1109/TPWRD.2009.2034832.

9. Осипов Д. С., Коваленко Д. В., Киселёв Б. Ю. Расчет потерь энергии в кабельной линии электропередачи при наличии нелинейной нагрузки методом пакетного вейвлет-преобразования // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148). С. 84-89.

10. Morsi W. G., EI-Hawary M. E. Time-frequency single phase power components measurements for harmonics and inter-harmonics distortion based on Wavelet Packet transform. Part I: Mathematical formulation // Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering. 2010. Vol. 35, Is. 1. DOI: 10.1109/CJECE.2010.5783378.

УДК 621.31

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ УСТРОЙСТВ НА ГИБРИДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

КОМПОНЕНТАХ

С. Г. Конесев1, Р. Т. Хазиева1, Р. В. Кириллов1, И. З. Гайнутдинов2, Э. Ю. Кондратьев3

'Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Россия 2ООО НИЦ «Энергодиагностика», г. Уфа, Россия 3ООО «Газпром добыча Ямбург», г. Новый Уренгой, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-44-52

Аннотация - В связи с общей тенденцией снижения массы и габаритов, расхода проводящих и электроизоляционных материалов, повышения надежности и энергетической эффективности электротехнических устройств в последние годы активно разрабатываются устройства на основе гибридных электромагнитных компонентов (ЭМК). Источники электропитания подобных электротехнических устройств содержат, как правило, звенья повышенной частоты и функционируют в ключевых (импульсных) режимах, что приводит к росту электромагнитных помех (ЭМП). Нелинейные и периодические (импульсные) нагрузки, несинусоидальность (пульсация) ЭДС и нелинейность внутренних параметров источника и входных цепей потребителей искажают форму входного напряжения, приводят к увеличению тепловых потерь от токов высших гармоник, старению изоляции, увеличению массы фильтров блоков питания нагрузок, к возможности возникновения резонанса на высших гармониках. Важнейшей задачей яв-

ляется анализ работы электротехнических устройств на основе гибридных ЭМК с точки зрения создания ими ЭМП и оценки их электромагнитной совместимости (ЭМС) с системами электроснабжения (СЭС). В статье приводятся результаты исследования работы индукционной нагревательной системы (ИНС), принцип действия источника вторичного электропитания которой основан на работе полумостового автономного инвертора, с коммутационным контуром выполненным в виде гибридного ЭМК, называемого авторами «многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент» (МИЭК).

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, гибридный компонент, многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент, высшие гармоники, показатели качества электрической энергии.

I. Введение

В связи с общей тенденцией снижения массы и габаритов, расхода проводящих и электроизоляционных материалов, повышения надежности и энергетической эффективности электротехнических устройств в последние годы активно разрабатываются устройства на основе гибридных электромагнитных компонентов (ЭМК), такие как индуктивно-емкостные преобразователи (ИЕП), генераторы импульсов напряжений (ГИН), источники вторичного электропитания (ИВЭП), устройства заряда емкостного накопителя (УЗЕН), индукционные нагревательные системы (ИНС) [1-10]. Источники электропитания подобных электротехнических устройств содержат, как правило, звенья повышенной частоты и функционируют в ключевых (импульсных) режимах, что приводит к росту электромагнитных помех (ЭМП) [11-14]. Нелинейные и периодические (импульсные) нагрузки, несинусоидальность (пульсация) ЭДС и нелинейность внутренних параметров источника и входных цепей потребителей искажают форму входного напряжения, приводят к увеличению тепловых потерь от токов высших гармоник, старению изоляции, увеличению массы фильтров блоков питания нагрузок, к возможности возникновения резонанса на высших гармониках [15-20].

II. Постановка задачи

Важнейшей задачей является анализ работы электротехнических устройств на основе гибридных ЭМК, с точки зрения создания ими ЭМП и оценки их электромагнитной совместимости (ЭМС) с системами электроснабжения (СЭС). В статье приводятся результаты исследования работы ИНС, принцип действия источника вторичного электропитания которой основан на работе полумостового автономного инвертора, коммутационный контур которого выполнен в виде гибридного ЭМК, называемого авторами «многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент» (МИЭК) [21-26]. Выполнение ИНС на МИЭК позволяет снизить массу, уменьшить габариты ИВЭП, а также обеспечить повышение качества электрической энергии за счет снижение уровня ЭМП и коэффициента несинусоидальности. В настоящей статье приводятся результаты экспериментального исследования, подтверждающие данное утверждение.

При данном исследовании решались следующие задачи:

- проанализированы показатели качества электроэнергии (коэффициент несинусоидальности, коэффициент мощности) при работе гибридных ЭМК;

- определены параметры режимов работы этих компонентов;

- произведена оценка его ЭМС и влияния на сеть, в том числе оценка уровня высших гармоник, соотношение фактических и нормативных значений;

- получены экспериментальные данные функционирования гибридного электромагнитного элемента в составе автономного инвертора.

III. Теория

Недостатками электротехнических устройств на дискретных элементах являются низкий коэффициент мощности и наличие модуляции потребляемой активной мощности. Устранить данные недостатки позволяет функциональная интеграция электромагнитных элементов [27 - 30].

Рассмотрим схему источника вторичного электропитания (ИВЭП) ИНС и произведем оценку его работы с точки зрения сохранения качества электроэнергии питающей сети (рис. 1).

Рис. 1. Полумостовая схема ИВЭП с ИЕП на гибридном компоненте

Источник вторичного электропитания состоит из следующих основных блоков:

- диодного моста, обеспечивающего выпрямление переменного напряжения;

- транзисторного полумостового инвертора;

- системы управления ключами, обеспечивающей попеременную коммутацию ключей и не допускающей одновременное пребывание их в открытом состоянии;

- согласующего трансформатора, обеспечивающего более мягкий режим работы коммутаторов. Коммутационный контур выполнен в виде подключенного ко-вторичной обмотке трансформатора МИЭК,

выполняющего функцию локального нагрева.

IV. Результаты экспериментов

Проведены эксперименты по исследованию функционирования устройства на гибридном ЭМК - ИНС и произведена оценка ЭМС данной ИНС с СЭС, влияния ИНС на основе компонента на сеть и качество электрической энергии. В частности, определен уровень высших гармоник при помощи прибора РЕСУРС-иР2М.

Эксперименты выполнены для четырех электромагнитных компонентов, параметры которых приведены в табл. 1, работающих по отдельности и в системе, состоящей из четырех последовательно соединенных МИЭК.

ТАБЛИЦА 1 ПАРАМЕТРЫ МИЭК И СИСТЕМЫ

Название МИЭК Я, мОм L, мкГн С, мкФ ш,витков ^рез*, кГц

МИЭК 10 150 12,8 0,245 23 90

МИЭК 11 150 13,7 0,185 22 100

МИЭК 12 150 12,8 0,18 22 105

МИЭК 24 150 12 0,174 20 110

Система 600 19,7 0,076 87 130

Результатами исследований являются данные о показателях качества электрической энергии (амплитуда гармоник и коэффициент несинусоидальности) и энергетических показателях (коэффициент мощности и величина активной мощности), представленные на рис. 2-7.

На рис. 2 показаны амплитуды четных гармоник (к = 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16) для системы из четырех последовательно соединенных МИЭК при различных частотах; на каждой из гармоник столбцы обозначены цветами, соответствующими разным значениям частот.

Рис. 2. Амплитуда четных гармоник при различных частотах

На рис. 3 показаны амплитуды нечетных гармоник ^ = 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) для системы из четырех последовательно соединенных МИЭК при различных частотах; на каждой из гармоник столбцы обозначены цветами, соответствующими разным значениям частот.

Рис. 3. Амплитуда нечетных гармоник при различных частотах

На рис. 4 показаны амплитуды нечетных гармоник ^ = 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) для системы из четырех последовательно соединенных МИЭК, работающих в резонансном режиме; на каждой из гармоник столбец слева показывает нормативное значение, заштрихованный столбец в середине соответствует режиму под нагрузкой, столбец справа отражает амплитуду гармоник в системе из четырех последовательно соединенных МИЭК, работающей без нагрузки.

Киа(5) К1Та(7) К11а(9) КШ(11) Киа(13) К1Та(15) Киа(17) норматив  под нагрузкой  без нагрузки

Рис. 4. Амплитуда нечетных гармоник при резонансе

На рис. 5 показан график зависимости коэффициентов несинусоидальности фазных напряжений от частоты. Столбец слева показывает коэффициент несинусоидальности при работе последовательно соединенных МИЭК в системе, столбец в середине - при работе отдельно«МИЭК 10», столбец справа отражает коэффициент несинусоидальности - при отдельной работе «МИЭК 24».

Рис. 5. График зависимости коэффициентов несинусоидальности от частоты

На рис. 6 показана зависимость активной мощности от частоты. Столбец слева показывает активную мощность «МИЭК 10», столбец в середине соответствует работе последовательно соединенных МИЭК в системе, столбец справа отражает активную мощность для «МИЭК 24».

1МИЭК10  МИЭК 24  Система Рис. 6. Зависимость активной мощности от частоты

На рис. 7 показана зависимость коэффициента мощности от частоты. Столбец слева показывает коэффициент мощности «МИЭК 10», столбец в середине соответствует работе последовательно соединенных МИЭК в системе, столбец справа отражает коэффициент мощности для «МИЭК 24».

Рис. 7. Зависимость активной мощности от частоты

На рис. 8 показана зависимость активной и реактивной мощностей от частоты. Столбцы сверху показывают активную мощность «МИЭК 10» и «МИЭК 24» соответственно, столбцы снизу отражают реактивную мощность «МИЭК 10» и «МИЭК 24» соответственно.

0,4

-0,2

РМИЭК 10  <3 МИЭК 10 I РМИЭК24 <3 МИ ЭК 24 Рис. 8. Зависимость активной и реактивной мощностей от частоты

V. Обсуждение результатов

Четные гармонические составляющие практически отсутствуют (рис. 2).

На отдельных МИЭК максимальна пятая гармоника, остальные нечетные гармоники плавно снижаются. В системе последовательно соединенных четырех МИЭК, работающих совместно, максимальна третья гармоника, при этом остальные нечетные гармоники значительно ниже (рис. 3, 4).

Коэффициент несинусоидальности ниже нормативного значения, равного 8 %, при этом при работе системы из последовательно соединенных МИЭК он ниже, чем у отдельных МИЭК (рис. 5).

Максимальная мощность «МИЭК 10» достигается на резонансной частоте 90 кГц, максимальная мощность «МИЭК 24» достигается на резонансной частоте 110 кГц, максимальная мощность системы из последовательно соединенных четырех МИЭК достигается на резонансной частоте 130 кГц (рис. 6).

Коэффициент мощности в целом не ниже 0,9, на отдельных МИЭК при максимальной мощности коэффициент ближе к 1, при работе МИЭК в системе наоборот дальше (рис. 7).

Реактивная мощность отрицательная, что свидетельствует о ёмкостном характере нагрузки (рис. 8). Многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент выступает в роли компенсатора реактивной мощности.

VI. Выводы и заключение

В работе представлены экспериментальные данные функционирования автономного инвертора на основе многофункционального интегрированного электромагнитного элемента.

По результатам исследования:

- определены показатели качества электроэнергии (ПКЭ), являющиеся наиболее важными для устройств на гибридных компонентах;

- произведена оценка ЭМС ИНС на гибридном ЭМК с СЭС, в том числе уровня высших гармоник, соотношения фактических и нормативных значений.

Работа гибридных ЭМК в резонансном режиме обеспечивает коэффициент мощности выше 0,9.

Максимальная мощность достигается при частоте свободных колебаний, как для системы, так и для отдельных МИЭК.

Интегральное исполнение электромагнитных компонентов, работающих в резонансном режиме, обеспечивает допустимые уровни ЭМП (высших гармоник), обеспечивает компенсацию реактивной мощности.

Список литературы

1. Пат. 2450413 Российская Федерация, МПК Н 04 M 11/02. Индуктивно-емкостный преобразователь / Коне-сев С. Г., Хазиева Р. Т., Конесев И. С., Нурлыгаянов А. Р. № 2010149802/07; заявл. 03.12.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13.

2. Пат. 2477918 Российская Федерация, МПК H 03 K 3/53. Генератор импульсов напряжения / Конесев С. Г., Мухаметшин А. В., Кириллов Р. В., Садиков М. Р. № 2012107734/08; заявл. 29.02.2012; опубл. 20.03.2013, Бюл. № 8.

3. Пат. 117748 Российская Федерация, МПК H 02 M 7/162. Устройство заряда емкостного накопителя / Конесев С. Г., Хазиева Р. Т., Садиков М. Р., Кириллов Р. В., Мухаметшин А. В. № 2012105359/07; заявл 15.02.2012; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18.

4. Пат. 2584137 Российская Федерация, МПК H 05 B 6/10. Способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводы и индукционная нагревательная система для его реализации / Конесев С. Г., Кириллов Р. В., Кондратьев Э. Ю., Садиков М. Р. № 2014127219/07; заявл. 03.07.2014; опубл. 20.05.2016, Бюл. № 14.

5. Пат. 164415 Российская Федерация, МПК F 16 L 9/00. Труба для транспортировки вязких текучих сред / Конесев С. Г., Кириллов Р. В., Кондратьев Э. Ю. № 2014124302/06; заявл. 16.06.2014; опубл. 27.08.2016, Бюл. № 24, 2016.

6. Конесев С. Г., Хазиева Р. Т, Хлюпин П. А., Кондратьев Э. Ю. Анализ динамики патентования методов и устройств регулирования реологических свойств высоковязкой нефти // Нефтегазовое дело. 2013. № 5. С. 179— 189.

7. Конесев С. Г., Кириллов Р. В., Кондратьев Э. Ю., Садиков М. Р., Хлюпин П. А. Индукционные нагревательные системы для протяженных нефтепроводов // Нефтегазовое дело. 2014. Т. 12, № 4. С. 40-47.

8. Morrow K., Kamer D., Francfort J. Plug-in hybrid electric vehicle charging infrastructure review // Department of Energy Vehicle Technologies Program - Advanced Vehicle Testing Activity Plug-in Hybrid Electric Vehicle Charging Infrastructure Review Final Report Battelle Energy Alliance Contract No. 58517. 2008. 34 p.

9. Sadeghipour K., Dopkin J. A. A computer aided finite element/experimental analysis of induction heating process of steel // Computers in Industry. 1996. Vol. 28 (3). P. 195-205.

10. Sahin A. Z. Direct resistance and induction heating of a slab with convective surfaces // Heat and Mass Transfer. 1996. Vol. 32(1-2). P. 133-139.

11. Musavi F., Eberle W., Dunford W. G. A phase shifted semi-bridgeless boost power factor corrected converter for plug in hybrid electric vehicle battery chargers // 2011 Twenty-Sixth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). P. 821-828.

12. Grassi F., Manfredi P., Liu X., Sun J., Wu X., Ginste D. V., Pignari S. A. Effects of undesired asymmetries and nonuniformities in differential lines // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2017. Vol. 59, Is. 5. P. 112.

13. Li B., Mansson D. Effect of periodicity in frequency responses of networks from conducted EMI // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2017. Vol. 59, Is. 6. P. 1897-1905.

14. Rahmani M., Mazzola M. Modeling of electromagnetic interference in electronic boards using finite difference time domain method. Honolulu // IEEE Electrical Design of Advanced Packaging and Systems (EDAPS). 2016. P. 179181.

15. Pan J., Qi F., Cai H., Xu L. Efficiency and electromagnetic interference analysis of wireless power transfer for high voltage gate driver application // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). 2016. P. 1-5.

16. Margaris I. D., Papathanassiou S. A., Hatziargyriou N. D., Hansen A. D., Sorensen P. Frequency control in autonomous power systems with high wind power penetration // IEEE Transactions on Sustainable Energy. 2012. Vol. 3, Is. 2. P. 189-199.

17. Sum K. K. Improved valley-fill passive power factor correction current shaper approaches IEC specification limits // PCIM Magazine. 1998. P. 42, 44, 47-51.

18. Zhang Y. Keynote address: Trends and challenges of high-frequency electromagnetic interference and protection with development of information communication technology (ICT). Honolulu // IEEE Electrical Design of Advanced Packaging and Systems (EDAPS). 2016.

19. Leferink F., Keyer C., Melentjev A. Static energy meter errors caused by conducted electromagnetic interference // IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine. 2016. Vol. 5, Is. 4. P. 49-55.

20. Ding J., Li F., Zhao J., Zhao P. Evaluation of electromagnetic interference of formation based on complex network. Beijing // 2016 7th IEEE International Conference on Software Engineering and Service Science (ICSESS). 2016. P. 551-554.

21. Пат. 2585248 Российская Федерация, МПК H 03 H 7/00. Многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент /Конесев С. Г. № 2012114845/08; заявл. 13.04.2012; опубл 27.05.2016, № Бюл. № 15.

22. Konesev S. G., Khazieva R. T., Kirillov R. V. The research of stabilization properties of inductive-capacitive converters based on the two-sections hybrid electromagnetic elements // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2016. P. 1-7. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819030. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7819030&isnumber=7818960.

23. Konesev S. G., Khazieva R. T., Kirillov R. V., Konev A. A. The research of stabilization properties of inductive-capacitive converters, which are based on hybrid electromagnetic elements // Journal of Physics: Conference Series (JPCS), 2017. Vol. 803, no. 1. DOI:10.1088/1742-6596/803/1/012076.

24. Конесев С. Г., Хазиева Р. Т. Методы оценки показателей надежности сложных компонентов и систем // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1. URL: http://www.science-education.ru/121-17558 (дата обращения: 27.02.2015).

25. Конесев С. Г., Хазиева Р. Т. Методика оценки надежности сложных электромагнитных элементов // Современные проблемы науки и образования, 2015. № 1. URL: www.science-education.ru/121-17925 (дата обращения: 18.03.2015).

26. Конесев С. Г., Хазиева Р. Т. Оценка показателей надежности многофункциональных интегрированных электромагнитных компонентов // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1. URL: http://www.science-education.ru/121-18445 (дата обращения: 09.04.2015).

27. Конесев С. Г., Хазиева Р. Т. Функциональная интеграция как техническое средство развития электромагнитных элементов // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов. 2014. С. 135-138.

28. Конесев С. Г., Хазиева Р. Т., Кириллов Р. В., Хлюпин П. А. Компьютерная модель системы заряда емкостного накопителя на основе индуктивно-емкостного преобразователя // Нефтегазовое дело. 2015. № 4. С. 374-390.

29. Конесев С. Г., Кириллов Р. В., Хазиева Р. Т. Анализ энергетических и частотных характеристик многофункциональных интегрированных электромагнитных компонентов // Энергетические и электротехнические системы. 2014. С. 65-75.

30. Конесев С. Г., Хазиева Р. Т., Кириллов Р. В. Исследование частотных характеристик двухсекционных многофункциональных интегрированных электромагнитных компонентов // Вестник УГАТУ. 2015. Т. 19, № 4 (70). С. 66-71.

УДК 021. 314. 261: 622

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНЫХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И КПД СТАНЦИЙ УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВОК

ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Е. М. Кузнецов1, А. Ю. Ковалев2, В. В. Аникин3

'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2,3Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-52-58

Аннотация - Разработана математическая модель суммарных потерь мощности и КПД станций управления установками электроцентробежных насосов, питающих погружные электродвигатели для нефтедобычи. Модель позволяет также рассчитывать отдельные составляющие этих потерь мощности. Предложена упрощенная, удобная для применений модель суммарных потерь мощности и значений КПД в зависимости от выходного тока станций управления и коэффициента мощности погружного электродвигателя. Аппроксимация дает расхождение от моделируемого КПД не более 0.3 % в диапазоне выходных токов станций управления 0.2...1.0 от номинального значения. Коэффициенты аппроксимации легко определяются с помощью программного обеспечения станций управления. Снижается трудоемкость и расширяются возможности расчетов при решении задач энергетической оптимизации установок для нефтедобычи.

Ключевые слова: энергосбережение, выпрямитель, инвертор.