Спосіб вимірювання якісної частини електроенергії, яка може перетворюватися в корисну роботу

Корисна модель належить до електровимірювальної техніки. Корисна модель може бути використана у вимірювальних комплексах, які здійснюють комерційний або технічний облік електроенергії у виробника, постачальника і споживача. Відомий спосіб вимірювання активної енергії і засоби для його реалізації [Электрические измерения. Общий курс. / Под ред. А.В.Фремке. - М. - Л.: Гос. энергетическое изд., 1963. - 429с.]. Недоліками зазначеного способу є значна похибка вимірювання. За прототип вибрано спосіб корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії, що передбачає зменшення комерційних втрат за рахунок метрологічної похибки [Деклараційний патент України №63600 МКП 7 G01R21/06. Спосіб корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії і пристрій для його здійснення / М.П.Березянський, В.О.Пнайло, П.Д.Нагорний, В.В.Назаров, О.В.Осадчий, Б.С.Стогній, Є.М.Танкевич, Бюл.№1 від 15.01.2004.]. Недоліком прототипу є те, що спосіб враховує неякісну електроенергію, яка викликає додаткові втрати в електроприймачах. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу вимірювання електроенергії, який задовольняв би сучасним вимогам по точності вимірювання в мережах із несинусоїдальною та несиметричною напругою фаз і фіксував би тільки якісну частину спожитої електроенергії, що може бути перетворена в корисну роботу. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання якісної частини електроенергії, яка може перетворюватися в корисну роботу, що передбачає корекцію похибки вимірювального комплексу електроенергії, відповідно до винаходу, моделюють систему напруг і струмів, та програмують величини їх залежно від характеристик електроприймачів таким чином, щоб по спожитій корисній енергії, яка може бути перетворена електроприймачами в корисну роботу, теплову і електромагнітну енергію, вони відповідали реальним напругам та струмам, але щоб не враховувалась неякісна енергія, викликана спотворенням синусоїди напруги, відхиленнями та коливаннями напруги і частоти, несиметрією трифазної системи напруг, яка викликає тільки додаткові втрати в електроприймачах, і подають ці еквівалентні системи напруг та струмів на вимірювальний блок стандартного електронного лічильника електроенергії. Причинно-наслідковий зв’язок між запропонованими ознаками і технічним результатом. Існуючі способи вимірювання електроенергії враховують неякісну електроенергію, яка викликає тільки додаткові втрати в електроприймачах. При цьому практично втрачається цінність використання високоточних лічильників електроенергії, особливо у вимірювальних комплексах комерційного обліку. Споживач оплачує електроенергію, яку він не може використати, оскільки ця енергія, в залежності від типу електроприймача, може тільки збільшити втрати. Наприклад, для струмів зворотної послідовності опір двигуна в Кn разів менший, ніж для прямої. Тому при К2U=2% струм зворотної послідовності в обмотках асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором складатиме 14% струму прямої послідовності, що може призвести до перегріву двигуна. При несиметрії напруги в електричних машинах виникають магнітні поля, що обертаються в зворотному напрямі. Виникає тормозний електромагнітний момент, а також додаткове намагнічування активних частин машин, за рахунок струмів подвійної частоти. При роботі двигуна з РHOM і К2=4% термін служби ізоляції скорочується в два рази. При більшому значенні термін служби швидко зменшується і двигун "горить". В синхронних машинах виникають значні вібрації в результаті додаткових обертаючих моментів і тангенціальних зусиль, що пульсують з подвійною частотою мережі. При значній несиметрії можуть руйнуватися зварні з'єднання, руйнується фундамент. Додаткові втрати в синхронних машинах приводять до локальних перегрівів обмотки збудження, що зумовлює зниження струму збудження, зменшує реактивну потужність. Несиметрія зумовлює скорочення терміну служби трансформатора. При К0=0.1 термін служби скорочується на 16%. Несиметрія зумовлює скорочення терміну служби трифазних конденсаторів внаслідок перегрівання однієї з фаз. Несиметрія негативно впливає на роботу печей, зменшує їх продуктивність, збільшує питомі витрати енергії. В деяких випадках може призвести до росту бракованої продукції, оскільки можуть з'явитися зони перегрівання і зони з низькими для випічки температурами, внаслідок нерівномірності розподілення енергії по об’єму печі. Несиметрія призводить до суттєвого скорочення терміну служби двигунів. Наприклад, при К2=11% у мережі з 380В термін служби асинхронних двигунів знижувався в 1,8-2,3 рази навіть при коефіцієнті завантаження 60%. В ЛЕП з'являються додаткові втрати енергії та напруги. В кабельних лініях прискорюється старіння ізоляції, збільшується кількість пошкоджень за рахунок зростання амплітуди напруги. В ЛЕП надвисоких напруг зростають втрати на корону. В трансформаторах збільшуються втрати в обмотках та в сталі. Скорочується термін служби ізоляції. Струми нульової послідовності, що циркулюють в обмотках, з'єднаних трикутником, можуть перевантажити ці обмотки. Дуже чутливі до вищих гармонік батареї конденсаторів. Додаткові втрати потужності в конденсаторах ¥ dP = å DP wcU 0 2 n n=2 DP0 де - питомі втрати на основній частоті, кВт/квар, с - ємність конденсатора Un - напруга n -ої гармоніки. Ці втрати призводять до перегрівання конденсаторів та виходу їх з ладу. Крім того, на одній з вищих гармонік можливий резонанс, що інколи призводить до збільшення напруги вище номінальної та пробою ізоляції. Вищі гармоніки призводять до збільшення втрат в статорі та роторі електромашини. Додаткові втрати потужності підвищують температуру машини, з'являються локальні місця перегрівання. Особливо чутливі до вищих гармонік двигуни з фазним ротором. В асинхронних машинах з'являються додаткові моменти на частотах вищих гармонік. Ці моменти можуть призвести до відчутних вібрацій двигуна. Вищі гармоніки погіршують роботу системи дистанційного керування. Помилки в роботі цих систем можуть виникнути, якщо з'являються гармоніки з частотою, близькою до частоти керування. При цьому можливі два випадки: 1. Блокування сигналу, коли вищі гармоніки не дозволяють виділити сигнал керування. 2. Хибна робота реле при відсутності сигналу керування. Вищі гармоніки суттєво впливають на роботу релейного захисту, вносячи похибки при вимірюванні опору на основній частоті. Тільки цифрові фільтри забезпечують належну роботу захисту в таких умовах. Проблемою є момент підключення потужних трансформаторів, коли величина струму намагнічування може перевищувати номінальний струм. Амплітуда струму намагнічування залежить від індуктивності трансформатора, опору обмоток та моменту часу, коли відбувається підключення. У вторинній обмотці в ці моменти струм відсутній. Це може призвести до спрацювання диференційного захисту. Підвищити надійність захисту можна шляхом виділення другої гармоніки з струму намагнічування, яка подається в схему блокування диференційного захисту. Дуже чутливі до вищих гармонік телевізори. Порушується робота перетворювачів пристрою, спотворюється зображення та змінюється яскравість екрану. Вищі гармоніки можуть вивести з ладу газорозрядні лампи. До схеми входить конденсатор, і можливий резонанс на одній з вищих гармонік. Перетворювачі струму є потужними джерелами вищих гармонік. Але провали на синусоїді напруги, що виникають при роботі одного перетворювача, можуть впливати на синхронізацію другого перетворювача або інших пристроїв, в яких необхідно фіксувати момент переходу синусоїди напруги через нуль. Гармоніки напруги можуть призвести або до пропуску відкриття тиристорів, або до хибного відкриття їх, що може викликати коротке замикання з важкими наслідками. Вимірювальні прилади, як правило, калібруються при синусоїдальних струмах та напругах. Тому, в більшості випадків, спотворення синусоїди викликає зростання похибки вище нормованої. Загальний вираз для потужності в мережі På = U 0 I0 + U1I1 cos j 1 + U nI n cos j n = P0 + P1 + P n де P0 - потужність постійної складової, Р1 - потужність на першій гармоніці, Pn - потужність на вищих гармоніках. Вищі гармоніки суттєво впливають на роботу ліній зв'язку. Вони створюють шум і при високому рівні його частина інформації або губиться, або спотворюється. Напруга шумів може впливати на лінії зв'язку такими способами: контурною, поздовжньою електромагнітною або поздовжньо електростатичною індукцією, провідністю. Контурна індукція може бути значною тільки у випадках, коли траси ЛЕП та ліній зв'язку пересікаються. Поздовжня електромагнітна індукція виникає, якщо ЕРС вводиться вздовж проводів лінії зв'язку. Струм в ЛЕП створює магнітне поле, яке індукує струми в сусідніх лініях зв'язку. Поздовжня електростатична індукція виникає, коли ЕРС вводиться між проводами та землею внаслідок ємностей проводів ЛЕП та лінії зв'язку. Шуми виникають внаслідок гальванічного впливу струмів, що протікають в землі. Ці струми викликають локальні підвищенні потенціалу землі в місцях електродів. Якщо один з кінців лінії зв'язку заземлений в зоні впливу цього потенціалу, виникають струми шумів. Втрати в асинхронних двигунах, зумовлені n -ою гармонікою: 2 DPn = 3In r n , rn = rCT n + rPOT n де rCT n , rPOT n - активний опір статора та приведений активний опір ротора на частоті n-ої гармоніки. З урахуванням поверхневого ефекту rстn = r1 n rротn = rрот1 n ± 1 . Для струмів n-ої гармоніки, що створює систему прямої послідовності, береться знак плюс, для зворотної послідовності - знак мінус. Втрати в обмотках статора для гармоніки n; DPстn = DP1ном × U2n × k 2 пуск * 2 DP1ном = 3Iном r0 к 0 U *n = n2 × n ; де кпуск - кратність пускового струму при номінальній паузі ; - втрати в обмотці статора при номінальному струмі Un Uном . Тут r0 - опір фази обмотки статора при температурі обмотки q r k 2 = 50 r - коефіцієнт, що враховує поверхневий ефект. Додаткові втрати в роторі для гармоніки n DPрот = DPрот ном U 2рот к 2 пуск * n+1 n2 . Тоді додаткові сумарні втрати в обмотках синхронного двигуна U2 K2 пуск n + n +1 . DP = DPном å * n 2 n Додаткові втрати в конденсаторах Втрати в діелектриці ( DP' = U2 wC ном tg d ном ном ) N æ Un ç çU n =2 è ном å 2 ö tg d n ÷ n ÷ tg d ном ø , Un де: U* n = - відносне значення гармонічної складової напруги, Uном 2 DPном = Uном wCном tgd ном - номінальні втрати в конденсаторі від основної гармоніки. В діапазоні частот 50...1000Гц можна прийняти tg d незмінним, в діапазоні 1000...3000Гц значення його збільшується в 1,5 рази 60 ö æ 20 U2n n + 15 , U2n n ÷ DP' = DPном ç * * ÷ ç n=21 ø. è n=2 å å В загальному вигляді é 20 æ U ç n DP' = 2pfном C номU2 tgd ном ê ном çU ê ë n = 2 è ном å 2 60 ö æ Un ÷ n + 15 ç , ÷ çU ø n = 21è ном å 2 ö ù ÷ nú ÷ ú ø û . Додаткові втрати в ізоляції від корпуса DP" = 2 pf ном Cном U2 tg d ізол ном N æ Un ç çU n=1 è ном å 2 ö ÷ n ÷ ø . Додаткові втрати в обкладках конденсаторів 2 2 æ U ö DP ' ' = I2re n = æ 2 pfномСномU2 ö reкr n2 ç n ÷ ç n ном ÷ çU ÷ è ø è ном ø де: кr - коефіцієнт що враховує поверхневий ефект, rе - опір n-ої ділянки, Ом. Додаткові втрати в трансформаторах N 2 DPTn = 3 å In r2к r n=2 In де: - струм n-ої гармоніки; r2 - опір зворотної послідовності трансформатора; кr - коефіцієнт, що враховує поверхневий ефект. Додаткові втрати в ЛЕП ¥ æ ö 2 dDPлеп = ç 3I1 + 3I 2 + 1,41 nI 2 ÷r - DPл n÷ 2 ç n =2 è ø DPЛ де - втрати в ЛЕП у симетричному та синусоїдному режимі. Додаткові втрати в трансформаторі напругою 10кВ ¥ æ 1 + 0. 05n 2 2 ö S ном Т dDPT = ç 2.67K 2 + 1 .62 Un ÷ ç ÷ 10 4 n n n=2 è ø де K2 - напруга оберненої послідовності, %; Un - напруга n-ої гармоніки, %; Sном.T - номінальна потужність трансформатора. Таким чином, оплачувати електроенергію, яка викликає такі збитки, споживач не повинен, але він це робить, оскільки лічильники не фіксують неякісну енергію. Для фіксації тільки якісної електроенергії пропонується моделювати з допомогою мікропроцесора систему напруг і струмів, та програмувати величини їх залежно від характеристик електроприймачів таким чином, щоб по спожитій корисній енергії, яка може бути перетворена електроприймачами в корисну роботу, теплову і електромагнітну енергію, вони відповідали реальним напругам та струмам, але щоб не враховувалась неякісна енергія, викликана спотворенням синусоїди напруги, відхиленнями та коливаннями напруги і частоти, å å несиметрією трифазної системи напруг, яка викликає тільки додаткові втрати в електроприймачах, і подають ці еквівалентні системи напруг та струмів на вимірювальний блок стандартного електронного лічильника електроенергії. Мікропроцесор враховує здатність деяких електроприймачів використовувати неякісну електроенергію для перетворення її в корисну теплову енергію. Наприклад, резистивна піч може перетворювати енергію вищих гармонік в теплову. Реалізація способу може бути виконана з допомогою пристрою, блок-схема якого подана на Фіг. Тут 1 - електронний лічильник електроенергії, 2 - мікропроцесор оцінки якості електроенергії, 3 мікропроцесор моделювання. Напруги трьох фаз мережі Ua, Ub, Uc та струми I a, І b, І с подають на вхід електронного лічильника 1 та мікропроцесора оцінки якості електроенергії 2. Якщо якість електроенергії задовольняє умовам контракту на електропостачання, вхід лічильника 1 не блокується. Лічильник 1 вимірює всю електроенергію, яка подається від мережі. У випадку зниження якості енергії, мікропроцесор 2 блокує вхід лічильника 1 і запускає мікропроцесор моделювання 3. Мікропроцесор 3 запрограмований на певний вид електроприймачів. Він моделює напруги та струми таким чином, щоб врахувати тільки ту енергію, яка може перетворитися в корисну енергію чи роботу. Мікропроцесор 3 не реагує на втрати електроенергії у споживача, що не залежать від якості енергії. Застосування способу дозволить провести корекцію спожитої електроенергії і дає можливість забезпечити точність обліку тільки тієї електроенергії, яку реально споживач витрачає на виробництво продукції, на освітлення чи на задоволення своїх потреб в побуті.