Аналіз впливу вентильних комутаторів на показники якості електричної енергії на підприємствах та розподільчих мережах

Нікітін, Іван Вікторович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8855

Title:	Аналіз впливу вентильних комутаторів на показники якості електричної енергії на підприємствах та розподільчих мережах
Authors:	Ключка, Костянтин Миколайович Нікітін, Іван Вікторович
Keywords:	показники якості електроенергії;вентильні комутатори;вищі гармонічні складові,;активні фільтри
Issue Date:	Dec-2023
Abstract:	Метою магістерської роботи є дослідження методів моделювання та вдосконалення апаратних засобів, що містять вентильні комутатори та дозволяють ефективно впливати на показники якості електричної енергії на підприємствах та розподільчих мережах. Для розв’язування поставлених задач у магістерській роботі використовувалися методи теоретичної електротехніки, математичний апарат диференціальних та інтегральних рівнянь, методи організації комп’ютерних обчислень при моделюванні нелінійних електричних кіл. Практичною цінністю магістерської роботи є те, що отримані теоретичні результати магістерської роботи дозволяють більш ефективно проводити дослідження, розробку нових і вдосконалення існуючих методів та засобів в контексті покращення показників якості електричної енергії.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8855
Appears in Collections:	141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
ВКРМ_НІКІТІН_2023.pdf Restricted Access		2.18 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ
ТА МАШИНОБУДУВАННЯ
Кафедра електротехнічних систем

«До захисту допущено»
Зав. кафедри ЕТС

__________ О.О. Ситник
(підпис) (ініціали, прізвище)
«___»___________202__ р.

Кваліфікаційна робота
на здобуття ступеня вищої освіти магістра

на тему:
«Аналіз впливу вентильних комутаторів на показники якості електричної
енергії на підприємствах та розподільчих мережах»

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу, групи ЕСЕ–022
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)

Нікітін Іван Вікторович ______________
(прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис)

Науковий к.т.н., доцент Ключка К.М. ______________
керівник (підпис)
(вчені ступінь та звання, прізвище та ініціали)

Нормоконтроль к.т.н., доцент Ключка К.М. ______________
(підпис)
(вчені ступінь та звання, прізвище та ініціали)

Засвідчую, що у цій кваліфікаційній роботі немає запозичень з праць інших авторів
без відповідних посилань.
Здобувач вищої освіти ______________
(підпис)

Черкаси 2023 р.
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ
ТА МАШИНОБУДУВАННЯ
Кафедра електротехнічних систем

Рівень вищої освіти – другий (магістерський)
Спеціальність 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
(код і назва)

ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри
____________ О.О. Ситник
(підпис) (ініціали, прізвище)
«______» __ 2023 р.

ЗАВДАННЯ
на магістерську кваліфікаційну роботу здобувачу вищої освіти

Нікітіну Івану Вікторовичу
(прізвище, ім’я, по батькові)

1. Тема магістерської роботи

«Аналіз впливу вентильних комутаторів на показники якості електричної
енергії на підприємствах та розподільчих мережах»

науковий керівник к.т.н., доцент Ключка Костянтин Миколайович
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом по університету від «10» жовтня 2023р. № 271/04

2. Термін подання студентом роботи_____________________________

3. Об’єкт дослідження – є електричні процеси в колах, що містять вентильні
комутаторами

4. Предмет дослідження – є методи і засоби для підвищення показників якості
електричної енергії на підприємствах та в розподільчих мережах

5. Перелік завдань, які потрібно розробити:
− провести теоретичне дослідження стосовно призначення, класифікації та
функціональному складі силових вентильних перетворювачів;
− всебічно дослідити вплив вентильних комутаторів на показники якості
електричної енергії в різних варіантах їх використання;
− розглянути основні підходи до математичного опису динамічних систем з
вентильними комутаторами;
− проаналізувати способи формування математичних моделей для аналізу
динамічних режимів електричних кіл та мереж з елементами що мають вентильні
властивості;
− виявлення напрямів подальшого підвищення показників якості електроенергії,
на основі проведеного аналізу існуючих апаратних засобів з вентильними комутаторами і
врахування додаткових факторів.

6. Перелік ілюстративного матеріалу − у вигляді презентації

7. Перелік публікацій – у вигляді статті чи тез доповіді на конференції

8. Дата видачі завдання «11» жовтня 2023 р.

Календарний план

Термін виконання
№ Назва етапів виконання
етапів магістерської Примітка
з/п магістерської роботи
роботи
1 Аналіз літератури по темі магістерської роботи 11.10.2023–15.10.2023
Складання попереднього плану і структури 16.10.2023–18.10.2023
2
магістерської роботи. Узгодження з керівником
3 Підготовка матеріалів по розділу 1 19.10.2023–24.10.2023
4 Підготовка матеріалів по розділу 2 25.10.2023–30.10.2023
Підготовка матеріалів по розділу 3 31.10.2023–10.11.2023
5
Вступ. Реферат
Підготовка і публікація тез за результатами 11.10.2023–15.12.2023
6
магістерської роботи
Підготовка остаточної версії магістерської 11.11.2023–29.11.2023
7
роботи. Узгодження з керівником
Підготовка доповіді і презентації. Підготовка до 30.11.2023–15.12.2023
8
захисту
9 Захист магістерської роботи 19.12.2023–22.12.2023

Здобувач вищої освіти І.В. Нікітін
(підпис) (ініціали, прізвище)

Науковий керівник роботи К.М. Ключка
(підпис) (ініціали, прізвище)

3
РЕФЕРАТ

Повний обсяг магістерської роботи складає 102 сторінки, у тому числі
23 рисунки і 1 таблицю, список використаних джерел, що містить 45
найменування на 6 сторінках.
Метою магістерської роботи є дослідження методів моделювання та
вдосконалення апаратних засобів, що містять вентильні комутатори та
дозволяють ефективно впливати на показники якості електричної енергії на
підприємствах та розподільчих мережах.
Для розв’язування поставлених задач у магістерській роботі
використовувалися методи теоретичної електротехніки, математичний апарат
диференціальних та інтегральних рівнянь, методи організації комп’ютерних
обчислень при моделюванні нелінійних електричних кіл.
Практичною цінністю магістерської роботи є те, що отримані
теоретичні результати магістерської роботи дозволяють більш ефективно
проводити дослідження, розробку нових і вдосконалення існуючих методів
та засобів в контексті покращення показників якості електричної енергії.
Ключові слова: показники якості електроенергії, вентильні
комутатори, вищі гармонічні складові, активні фільтри

4

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ,
СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ……………………………………………..…… 6
ВСТУП……………………………………………..………………………… 7
РОЗДІЛ 1
МОЖЛИВІСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ ВЕНТИЛЬНИХ КОМУТАТОРІВ,
ЯК ЕФЕКТИВНОГО ЗАСОБУ ПОКРАЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ
ЯКОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ……..………………………………….. 15
1.1 Поняття про стандарти та норми показників якості електричної
енергії…………………………………………………………………… 15
1.2 Негативні наслідки низької якості електричної енергії для
електрообладнання промислових підприємств та електромереж....... 20
1.3 Можливість застосування вентильних комутаторів для
підвищення якості електричної енергії……………………………….. 41
1.4 Переваги та недоліки застосування вентильних комутаторів…. 45
Висновки до розділу 1…………………………………………………. 46
РОЗДІЛ 2
АНАЛІЗ ОСНОВНИХ ПІДХОДІВ ДО РОЗРОБКИ ЗАСОБІВ ДЛЯ
ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ОСНОВІ
ЗАСТОСУВАННЯ ВЕНТИЛЬНИХ КОМУТАТОРІВ…………………….. 48
2.1 Ретроспектива та подальший розвиток розвитку силових
вентильних комутаторів…………………………..…………………. 48
2.2 Класифікація та функціональний склад вентильних
комутаторів…..………………………………………….…………….. 51
2.3 Основні підходи до моделювання електричних схем з
вентильними комутаторами…………………………………………... 54
2.4 Особливості математичних моделей вентильних
комутаторів…..………………………..……………………………….. 58
5

2.5 Моделювання динаміки електричних кіл з вентильними
комутаторами за допомогою багатопараметричних функцій…….... 63
Висновки до розділу 2………………………………………………… 78
РОЗДІЛ 3
РОЗРОБКА УДОСКОНАЛЕНОГО ФІЛЬТРОКОМПЕНСУЮЧОГО
ПРИСТРОЮ ДЛЯ ПОКРАЩЕННЯ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ……….. 79
3.1 Основні негативні процеси супутні вищим гармонікам в
електричних мережах промислових підприємств та розподільчих
мереж…………….…………………………………………………..…. 79
3.2 Огляд основних типів активних та пасивних
фільтрокомпенсуючих пристроїв та використання їх для
покращення якості електроенергії …………………………………... 81
3.3 Розробка структури удосконаленого активного фільтра на
основі вентильних комутаторів……………….……………………… 84
Висновки до розділу 3………………………………………………. 93
ВИСНОВКИ………………………………………………………………….. 95
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………… 97

6

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ,
СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

ГПП головна понижуюча підстанція
ДСТУ державний стандарт України
ПУЕ правила улаштування електроустановок
ЕЕС електроенергетична система
ЄС Європейський Союз
CEER Council of European Energy Regulators

CIGRE International Conference on Large Electric Systems
CIRED International Conference on Power Distribution Systems
ERGEG Європейська група регуляторів електроенергії та газу
IEC International Electrotechnical Commission (Міжнародна
електротехнічна комісія)
VDEW Verband der Elektrizitaetswirtschaft
LSTM Long Short-Term Memory
SCADA Supervisory control and data acquisition

7
ВСТУП

Актуальність теми. Вентильні комутатори – це пристрої, призначені
для комутації електричних кіл змінного струму з використанням таких
напівпровідникових приладів як тиристори, біполярні та польові
транзистори, діоди тощо. Такі комутатори знаходять широке застосування у
різних галузях промисловості, зокрема й у електроенергетиці.
Проведений аналіз літературних джерел [1], [2] показав, що в
перспективі ми отримаємо подальше розширення переліку задач де можуть
бути ефективно застосовані вентильні комутатори на напівпровідникових
приладах нового покоління [17], що в свою чергу зможе надати значного
поштовху розвитку електроенергетики в цілому.
В електроенергетиці вентильні комутатори можуть бути використані
для вирішення наступних основних завдань:
− Компенсація реактивної потужності. Вентильні комутатори
використовуються для включення та відключення конденсаторних установок
у системах електропостачання для компенсації реактивної потужності.
Компенсація реактивної потужності дозволяє підвищити пропускну
спроможність мереж електропостачання, знизити втрати електроенергії та
покращити якість електроенергії.
− Здійснення захисту мереж та електрообладнання. Вентильні
комутатори використовуються для увімкнення та відімкнення силових ліній
електропередач у розподільчих мережах для сприяння безаварійності їх
функціонування. У випадку виникнення аварії вентильні комутатори дають
змогу швидко та безпечно вимкнути пошкоджену лінію, що дозволяє
запобігти розвитку і поширенню аварії та відновити електропостачання
споживачів.
− Управління електродвигунами. Вентильні комутатори
використовуються для керування електродвигунами в системах керування
технологічними процесами. Вентильні комутатори у складі частотного
8
пристрою керування дозволяють плавно регулювати швидкість обертання
електродвигунів, що забезпечує їх оптимальний режим роботи та підвищує
ефективність виробництва.
В перспективі очікується подальше розширення переліку випадків
застосування вентильних комутаторів електроенергетиці. Це пов’язано з
тим, що вентильні комутатори мають низку переваг порівняно з іншими
комутаційними апаратами. Зокрема, вони мають вищу комутаційну здатність,
надійність та довговічність. Не менш важливим є й те, що вентильні
комутатори можуть бути керованими за допомогою мікропроцесорних
пристроїв в т.ч. і віддалено, що дозволяє реалізувати складні алгоритми
управління тощо.
Серед конкретних прикладів перспектив розвитку застосування
вентильних комутаторів в електроенергетиці можна виділити наступні:
− Збільшення використання відновлюваних джерел енергії. Вентильні
комутатори можуть використовуватися для управління інверторами, які
перетворюють постійний струм, що виробляється відновлюваними
джерелами енергії в змінний струм, необхідний для живлення споживачів.
− Розвиток розумних мереж (Smart Grid). Вентильні комутатори
можуть використовуватися для керування різними пристроями та системами
у розумних мережах, такими як зарядні станції для електромобілів, системи
енергозбереження тощо.
− Збільшення пропускної спроможності мереж електропостачання.
Вентильні комутатори можуть використовуватися для регулювання напруги
та частоти в мережах електропостачання, що дозволяє підвищити пропускну
здатність мереж, покращити показники якості електричної енергії та знизити
її втрати.
Стосовно особливостей застосування вентильних комутаторів в одно-
та багатофазних колах електроенергетичних систем можна особливо
виділити те, що при комутації вентильних пристроїв у колі виникають
перехідні процеси, пов'язані зі зміною струму та напруги. Ці процеси можуть
9
негативно впливати на роботу інших споживачів, розташованих поруч із
вентильними комутаторами. Крім того, комутація вентильних пристроїв
призводить до виникнення електромагнітних завад, які можуть
поширюватися по живлячих ланцюгах та ланцюгах керування. Для зниження
рівня електромагнітних завад, створюваних вентильними комутаторами,
необхідно впроваджувати спеціальні заходи з електромагнітної сумісності.
До таких заходів можна віднести:
− Використання спеціальних вентилів та комутаційних пристроїв, що
мають низький рівень завад.
− Застосування електромагнітного екранування та фільтрації для
придушення завад.
− Розміщення вентильних комутаторів на деякій відстані від інших
пристроїв, чутливих до вказаних завад.
Перехідні процеси при комутації вентильних пристроїв і створювані
ними електромагнітні завади є суттєвими особливостями електричних кіл із
вентильними комутаторами. Для забезпечення надійної роботи таких кіл
необхідно враховувати ці особливості та впроваджувати відповідні заходи
щодо їх зниження.
Отже вентильні комутатори мають великий потенціал для подальшого
розвитку та застосування в електроенергетиці. Вони є ефективними
пристроями, які можуть бути використані для вирішення різних завдань в
електроенергетиці. Вентильні комутатори мають ряд переваг у порівнянні з
іншими електромеханічними комутаційними апаратами, такими як
електромагнітні реле, контактори, магнітні пускачі тощо. Зокрема, вони
мають вищу комутаційну здатність, надійність та довговічність в сенсі
кількості спрацьовувань. З іншого боку, вентильні комутатори можуть
управлятися з допомогою мікропроцесорних пристроїв, що дозволяє
реалізувати складні алгоритми управління та гнучке коригування параметрів.
З огляду на важливість питання підвищення якості електричної
енергії, ефективності її передачі, перетворення та споживання, постає
10
потреба детального аналізу і оптимізації енергетичних процесів в колах з
силовими вентильними елементами.
Базовими елементами силових перетворювальних пристроїв є
електричні вентилі − силові напівпровідникові прилади, які працюють в
ключовому режимі, до них перш за усе можна віднести транзистори,
тиристори, діоди. Специфіка вентилів як елементів електричних кіл з різко
вираженою нелінійністю, обумовила розвиток науково-дослідних робіт по
моделюванню, аналізу та синтезу вентильних комутаторів (ВК).
При врахуванні безперервно-дискретного характеру перетворення
параметрів електроенергії постає завдання створення нових чи
удосконалення наявних методів аналізу електричних мереж з силовими
вентильними елементами, шляхом поєднання переваг аналітичних та
чисельних методів. Вибір методів і алгоритмів аналізу має бути спрямований
на врахування характеру роботи вентильних елементів, режимів роботи
вибраного класу кіл, а самі методи орієнтовані на ефективний розрахунок
енергетичних характеристик при мінімальних обчислювальних затратах.
Тому розробка всебічно обґрунтованої ефективної методології аналізу
енергетичних процесів у колах перетворювальних пристроїв, які є
невід`ємною частиною усіх сучасних енергосистем, є актуальною та
важливою проблемою. Така методика також необхідна для розрахунків та
вибору обладнання вентильних перетворювачів та вибору оптимальних
режимів їх експлуатації.
Проведений аналіз дає змогу констатувати, що значна кількість
фундаментальних робіт українських дослідників та вчених присвячена
питанню широкого впровадження вентильних комутаторів в системи
електропостачання. Серед них можна виділити такі прізвища: А.К.
Шидловський, Г.Г. Півняк, Г.Є. Пухов, П.Д. Андрієнка, М.О. Костин, К.О.
Липківський, В.С. Руденко, П.Г. Стахів, В.С. Федій та інших, вони внесли
11
значний внесок в розвиток теорії енергетичних процесів у колах з
несинусоїдальними сигналами зокрема з вентилними комутаторами. В
працях цих дослідників закладені теоретичні основи аналізу, розробки та
проектування таких класів перетворювальних пристроїв, як керовані
випрямлячі, автономні інвертори, компенсатори реактивної потужності,
індуктивно-ємнісні перетворювачі, перетворювачі частоти, широтно-
імпульсні перетворювачі тощо.
Але як свідчить з проведеного аналізу ще й до сьогодні пошук нових
підходів до розробки передових схем перетворювачів ведеться переважно
інтуїтивно на базі практичного досвіду та статистичних даних. Ця обставина
не дає можливості підтвердити чи спростувати адекватність пропонованих
підходів та схемних рішень, а значить і не дає гарантії високій ефективності
кінцевого результату. Як бачиться, значно підвищити ефективність розробки
пристроїв з вентильними комутаторами можливо завдяки комп’ютерному
моделюванню. На початковому етапі такого моделювання, в якості основи,
використовуються типові набори схем різних класів ВК. Процес науково
обґрунтованого синтезу структур вентильних комутаторів, є однією з
найбільш складних та найменш досліджених проблем сучасної силової
електроніки. Методи їх синтезу, що на сьогодні здобули поширення,
здебільшого орієнтовані на окремі класи ВК і мають певні обмеження [24].
Поки що відсутній універсальний підхід до синтезу повноцінних та
самодостатніх наборів схем перетворювальних пристроїв з вентильними
комутаторами, також недостатньо формалізовані властивості ВК та критерії
їх функціональної працездатності.
Таким чином, достатньо актуальною та своєчасною задачею є
дослідження енергетичних процесів з вентильними комутаторами, зокрема
стосовно якості електричної енергії на промислових підприємствах та
розподільчих мережах.
12
Мета та задачі дослідження. Відповідно до вищенаведеного, метою
даної магістерської роботи є дослідження методів моделювання та
вдосконалення апаратних засобів, що містять вентильні комутатори та
дозволяють ефективно впливати на показники якості електричної енергії на
підприємствах та розподільчих мережах.
Для досягнення вказаної мети потрібно вирішення наступних
науково-технічних задач:
− провести теоретичне дослідження стосовно призначення,
класифікації та функціональному складі силових вентильних
перетворювачів;
− всебічно дослідити вплив вентильних комутаторів на показники
якості електричної енергії в різних варіантах їх використання;
− розглянути основні підходи до математичного опису динамічних
систем з вентильними комутаторами;
− проаналізувати способи формування математичних моделей для
аналізу динамічних режимів електричних кіл та мереж з елементами що
мають вентильні властивості;
− виявлення напрямів подальшого підвищення показників якості
електроенергії, на основі проведеного аналізу існуючих апаратних засобів з
вентильними комутаторами і врахування додаткових факторів.
Об’єктом дослідження є електричні процеси в колах, що містять
вентильні комутатори.
Предметом дослідження є методи і засоби для підвищення
показників якості електричної енергії на підприємствах та в розподільчих
мережах.
Методи дослідження. Для розв’язування поставлених задач у
магістерській роботі використовувалися методи теоретичної електротехніки,
математичний апарат диференціальних та інтегральних рівнянь, методи
13
організації комп’ютерних обчислень при моделюванні нелінійних
електричних кіл.
Наукова новизна одержаних результатів. У процесі вирішення по-
ставлених задач було отримано наступні наукові результати.
1. Здійснений аналіз методів підвищення показників якості
електроенергії з метою визначення пріоритетних напрямків, що потребують
подальшого розвитку.
2. Отримала подальший розвиток методика вибору оптимальних
підходів щодо контролю якості електричної енергії та застосування
вентильних комутаторів в прикладних задачах.
3. Здійснена систематизація методів математичного моделювання
динамічних процесів у електричних колах, що містять вентильні комутатори.
4. Обґрунтовано доцільність створення нових, в т.ч. нетрадиційних,
методів і засобів математичного і комп’ютерного моделювання динамічних
процесів у електричних колах, що містять силові вентильні комутатори.
5. Запропонована модернізована структура активних фільтрів на
основі вентильних комутаторів для покращення синусоїдальності струму чи
напруги при нелінійному навантаженні.
Практична цінність. Отримані результати магістерської роботи
дозволяють більш ефективно проводити дослідження, розробку нових і
вдосконалення існуючих методів та засобів на основі вентильних
комутаторів, в контексті покращення показників якості електричної енергії.
Запропоновані та розвинені методики моделювання можуть бути
використані в аналізі перехідних процесів в сучасних силових
перетворювачах з напівпровідниковими вентильними елементами.
Розглянуті методи та апаратні засоби можуть бути застосовані на
промислових підприємствах та розподільчих мережах.
Апробація роботи. Основні положення магістерської роботи
14
розглядалися в ході проведення 38-ї Міжнародної науково-практичної
конференції «Сучасні аспекти модернізації науки: стан, проблеми, тенденції
розвитку», 07 листопада 2923 року), м. Брно (Чехія). 07 листопада 2023.
Публікації. За результатами досліджень була надрукована одна
наукова праця [43].
Структура магістерської роботи. Робота складається з вступу, трьох
розділів, висновку і списку використаних джерел. Робота викладена на 102
сторінках машинописного тексту, містить 23 рисунки і 1 таблицю.

15

РОЗДІЛ 1
МОЖЛИВІСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ ВЕНТИЛЬНИХ КОМУТАТОРІВ,
ЯК ЕФЕКТИВНОГО ЗАСОБУ ПОКРАЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ
ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

1.1 Поняття про стандарти та норми показників якості
електричної енергії
Як відомо якість електричної енергії − це сукупність її властивостей, при
яких електрообладнання, прилади і апарати здатні нормально функціонувати і
виконувати свої функції. При експлуатації електрообладнання взаємодіє з
навколишнім середовищем. Не тільки електрообладнання може впливати на
навколишнє середовище, але й на навколишнє середовище на
електрообладнання. Взаємодія середовища з електрообладнанням
визначається за допомогою електромагнітних завад. Таким чином,
електроенергетична система − це електромагнітне середовище, в якому
створюються електромагнітні завади які і впливають на електроприлади, які в
свою чергу є джерелами електромагнітних завад. Тому якість електричної
енергії в системі електропостачання характеризується рівнем
електромагнітних завад, званих показниками якості електроенергії.
В Україні стандарти якості електроенергії представлені в ДСТУ EN
50160:2014 «Характеристики напруги електропостачання в електричних
мережах загального призначення» (далі – ДСТУ EN 50160:2014). Вказаний
ДСТУ визначає наступні основні показники якості електроенергії: усталене
відхилення напруги; діапазон зміни напруги; коефіцієнт спотворення
синусоїдальності кривої напруги; коефіцієнт n-ї гармонійної складової
напруги; коефіцієнт несиметрії напруги зворотної послідовності; коефіцієнт
несиметрії напружень нульовій послідовності; відхилення частоти; тривалість
падіння напруги; імпульсна напруга; коефіцієнт тимчасової перенапруги.
16
Показники якості електричної енергії визначаються за стандартами та
нормами. Розроблення норм і стандартів є складним процесом, який постійно
триває в багатьох країнах світу та в міжнародних галузевих організаціях.
Останнім часом міжнародними організаціями прийнято низку
нормативних документів, в основу яких покладено стандарти провідних країн
світу. Так, наприклад, Європейським комітетом нормалізації в галузі
електротехніки (CENELEC) у 1994 році був прийнятий стандарт ЕТ 50160,
який є основою для національних стандартів якості електричної енергії в
багатьох країнах світу. Міжнародною електротехнічною комісією МЕК (IEC)
розроблено багато стандартів, якими нормуються показники якості
електроенергії в різних мережах, зокрема і промислових, та визначають умови
приєднання споживачів до мереж. Ці норми мають індекс IEC 1000-2-4.
Значна роль щодо нормативів забезпечення якості електричної енергії в
Європейському Союзі (ЄС) відводиться державним регуляторам, вони ж
здійснюють моніторинг функціонування електроенергетичної системи (ЕЕС)
країни. Загальні правила для країн-членів ЄС сформульовано у відповідних
директивах.
Згідно з директивою 2003/54/ЕС «Про загальні правила функціонування
внутрішнього ринку електроенергії», держава має здійснювати моніторинг
ЕЕС, включаючи в т. ч. оцінювання якості електричної енергії мережі.
Правовим актом Євросоюзу щодо якості електроенергії є Директива
85/374/EEC. Положеннями цієї директиви встановлюється відповідальність
енергогенеруючої кампанії за порушення та недотримання стандарту якості
електроенергії, а також відшкодування завданих споживачеві збитків у
відповідності до національних нормативів якості електроенергії.
Для прикладу можливо навести той факт, що парламент Великобританії
і Директорат водних ресурсів і енергії Норвегії прийняли національні Технічні
регламенти щодо якості напруги, а в Польщі обов'язкові для дотримання
17
норми встановлено наказом Міністра економіки. В інших країнах, де
обов'язкові норми не встановлено правовими актами, вони регламентуються
положеннями договору між «постачальником» і «споживачем» електроенергії
на основі норм національних Мережевих кодексів з дотриманням норм
європейського міжнародного стандарту EN 50160:2007.
У країнах Євросоюзу норми для показників якості електричної енергії
поділяються на три групи:
1. Норми якості електричної енергії, що встановлюються національними
законами і технічними регламентами і мають строго обов’язковий характер
для енергогенеруючих кампаній. Порушення цих норм тягне за собою
накладання штрафів та (або) відкликання ліцензії від виробників
електроенергії;
2. Норми показників якості напруги, що встановлені національними
стандартами в країнах Євросоюзу для розподільчих електропостачальних
мереж напругою до 35 кВ (мережі середньої напруги) на основі міжнародного
європейського стандарту на якість напруги EN 50160:2007, який є основою для
укладення договору з «Споживачем». У тексті договору на постачання
електроенергії за погодженням зі «Споживачем» можуть бути інші норми,
якщо дотримання норм стандарту EN 50160:2007 пов'язане зі значним
збільшенням вартості електроенергії, наприклад, унаслідок віддаленості
«Споживача». Штрафні санкції за порушення цих норм обумовлюються в
договорах на якість напруги;
3. Норми якості напруги для магістральних електропостачальних мереж
напругою понад 35 кВ (мережі високої напруги) встановлюються
енергопостачальними організаціями в національних «Мережевих кодексах» на
основі національних нормативних документів.
Активну участь у енергетичній політиці що якості електричної енергії
ЄС беруть різні регулятивні організації.
18
Регулятивні органи ЄС є незалежними установами, які відповідають за
розробку та реалізацію політики щодо енергетичних ринків. Вони
забезпечують захист інтересів споживачів, сприяють конкуренції та
інноваційності, а також гарантують безпеку енергопостачання.
Рада європейських енергетичних регуляторів (CEER) є однією з
найважливіших регулятивних організацій ЄС. Вона була створена в 2003 році
для забезпечення ефективного функціонування єдиного ринку електроенергії
та газу в Європі. CEER об'єднує 29 регулятивних органів з 27 країн-членів ЄС,
а також регулятивні органи Ісландії та Норвегії.
CEER виконує широкий спектр функцій, включаючи:
• Розробку рекомендацій для Європейської комісії щодо політики щодо
енергетичних ринків;
• Моніторинг дотримання законодавства ЄС енергетичними
компаніями;
• Розслідування випадків порушення законодавства;
• Надання консультацій та підтримки національним регулятивним
органам.
CEER працює в тісній взаємодії з Європейською групою регуляторів
електроенергії та газу (ERGEG), яка є дорадчим органом при Європейській
комісії. ERGEG забезпечує обмін інформацією та досвідом між національними
регулятивними органами.
Регулятивні органи ЄС відіграють важливу роль у забезпеченні
енергетичної безпеки та сталого розвитку Європи. Вони сприяють розвитку
конкурентоспроможного енергетичного ринку, який забезпечує доступні ціни
для споживачів та екологічно чисту енергію.
Вирішення питань підвищення якості електроенергії в електричних
мережах середньої та високої напруги стає одним із основних завдань
забезпечення фінансової стабільності енергопостачальних організацій.
19
Підтвердженням цього є досвід найбільш розвинених країн Європи, наприклад
Німеччини, де, за повідомленнями VDEW (Verband der Elektrizitaetswirtschaft),
з 1990 р. протягом 15 років енергокомпанії щорічно вкладали в реконструкцію
і модернізацію електричних мереж від 2,5 до 4 млрд євро.
Відносно невисокий рівень показників якості електроенергії в мережах
середніх та високих напруг в Україні − це об’єктивний стан для країн із
економікою й енергетикою, яка реформується. Крім того такий стан є ознакою
наявністю суттєвих розривів між платоспроможністю споживачів і тарифами
на електроенергію. Також ця обставина є одним із показників недостатності
інвестицій у мережеву інфраструктуру України і перш за все в побудову
сучасної системи обліку електроенергії, відсутності або недостатності
повномасштабних автоматизованих інформаційних систем збору, оброблення
і передавання даних про відпуск електроенергії, невпорядкованості структури
потоків електроенергії в електромережах різних рівнів напруги, низького рівня
режимної та балансової роботи в електричних мережах енергооб᾿єднань.
Здійснення заходів щодо поліпшення показників якості електроенергії
дозволяє підвищити енергоефективність і енергозбереження, які є
пріоритетними напрямами розвитку науки і техніки в Україні та в світі.
Питання щодо покращення показників якості електричної енергії є
характерним не тільки для Української електроенергетики, а й стосується
багатьох інших країн пострадянського простору.
Бачиться, що важливим завданням є вивчення досвіду по заходам, що
вживаються в інших країнах, а також обґрунтованого вибору
найефективніших напрямів та втіленням їх на практиці в електроенергетиці
України.
Питання, пов'язані з підвищенням якості електроенергії, актуальні не
тільки в Україні та країнах пострадянського простору, але і за кордоном. Про
це свідчать регулярні виставки, конгреси та конференції, присвячені питанням
20
електромагнітної сумісності та якості електричної енергії: CIGRE
(International Conference on Large Electric Systems), CIRED (International
Conference on Power Distribution Systems) та ін.
Щодо низки інших країн, де вказані проблеми не вирішено, показники
якості електроенергії в електричних мережах, як правило, є невисокими. Крім
того в багатьох випадках можна зробити висновок, що вони мають тенденцію
до погіршення.

1.2 Негативні наслідки низької якості електричної енергії для
електрообладнання промислових підприємств та електромереж
Станом на сьогодні на більшості промислових підприємств України в
різних галузях, система електропостачання працює на недостатньо
ефективному рівні. Значна енергозатратність технологічних процесів, а також
постійно зростаюча вартість електроенергії, визначає надзвичайно високу
енергетичну складову в собівартості продукції, що випускається. Крім того на
багатьох підприємствах, які не випускають власної продукції, витрати на
електроенергію складають значний відсоток від загальних експлуатаційних
витрат.
Питання покращення якості електроенергії, що безпосередньо
пов’язане з втратами електричної енергії, є актуальним станом на сьогодні,
багато дослідників займаються цим питанням, що підтверджується багатьма
публікаціями у вітчизняних та іноземних виданнях [6, 14, 20, 27, 37].
В наш час, усе важливішим стає питання за рахунок чого, в основному,
зумовлені втрати електроенергії при її транспортуванні та споживанні, яка
частка в таких втратах тих чи інших показників якості електроенергії залежно
від технології виробництва і експлуатації промислових підприємств та ліній
електропередач. Аналіз багатьох літературних джерел дає змогу
стверджувати, що станом на тепер однозначної та чіткої відповіді на це
21
питання немає. Єдине, що можна з упевненістю стверджувати, це лише той
факт, що на різних промислових підприємствах на величину втрат по-різному
будуть впливати ті чи інші показники якості електричної енергії.
Для визначення більш чіткого кола невирішених задач, стосовно
зменшення втрат електроенергії із-за поганої її якості, далі розглянемо основні
показники якості, що впливають на втрати енергії в електротехнічному
комплексі промислового підприємства.
Проведені дослідження великої кількості літературних джерел [1 − 41]
дають змогу стверджувати, що на втрати електричної енергії насамперед
впливають такі показники якості електричної енергії: несинусоїдальність
струму чи напруги; коефіцієнт потужності навантаження; несиметрія струмів
і напруг в трифазних мережах; різного роду усталені відхилення та коливання
рівня напруги.
Несинусоїдальність струму чи напруги. Такі викривлення синусоїди
виникають із-за навантажень з нелінійними вольт-амперними
характеристиками. Ці навантаження споживають з мережі струм, який є
несинусоїдальним та містить вищі гармоніки. Результатом є виникнення
нелінійних спотворень форми напруги в мережі.
На рис. 1.1 подано приклад з наявними гармонічними або нелінійними
спотвореннями в синусоїдній напрузі. Із застосуванням перетворення Фур’є,
дану криву можна розкласти на складові: U1 − основна чи перша гармоніка і
U5 – п᾿ята гармоніка.
22

Рис. 1.1. Представлення спотвореної синусоїди набором гармонічних складових

Вказані нелінійні гармонічні спотворення створюють магнітні поля
різних послідовностей. Оскільки, стосовно електропостачання промислових
підприємств, мова зазвичай йде про трифазні мережі, а криві напруг у такій
системі зсунуті відносно один одного на 120 градусів, то на відміну від
гармонічних складових послідовності, кратній трьом, вони утворюють
нульову послідовність, при симетричному навантаженні [33].
Далі проаналізуємо вплив несинусоїдальності кривої струму чи
напруги на кола з реактивними елементами. Несинусоїдальність негативно
позначається на споживачах промислових підприємств, що регулюють деякі
показники якості електричної енергії. Так, наприклад, конденсаторні
установки, засновані на звичайних конденсаторах, при наявності вищих
гармонік в мережі можуть вийти з ладу через значне збільшення сили струму
через них. Це відбувається їз-за того, що реактивний опір конденсатора
обернено пропорційний номеру гармоніки

ХС(n)= XC(1) /n, (1.1)

де ХС(n) – реактивний опір конденсатора на гармоніці порядку n,
23
XC(1) − реактивний опір конденсатора на гармоніці 1-го порядку (на основній
частоті).

Графіки величини реактивного опору конденсатора від номеру
гармоніки у спотвореній синусоїди, зображено на рис. 1.2.
Як випливає з виразу 1.1, а також з рис. 1.2, реактивний опір
конденсатора різко знижується при протіканні струму, що містить гармонічні
спотворення синусоїди.
Таким чином можна зробити висновок, що високовольтні конденсаторні
батареї в умовах несинусоїдальності напруги або струму, працюють з
ненормальними перевантаженнями, аж до виходу останніх з ладу.

Рис. 1.2. Графіки величини реактивного опору конденсатора,
залежно від номеру гармоніки

У лініях електропередач розподільчих мереж, гармоніки викликають
також і додаткові втрати електроенергії, оскільки реактивний опір
індуктивності прямо пропорційно порядку гармоніки:

24
ХL(n)= n × ХL(1) , (1.2)

де ХL (n) – реактивний опір індуктивності на гармоніці порядку n,
XL(1) − реактивний опір індуктивності на гармоніці 1-го порядку (на
основній частоті).

Графіки величини реактивного опору індуктивності від номеру
гармоніки у спотвореній синусоїди, зображено на рис. 1.3.
Таким чином з виразу 1.2 та графіка з рис. 1.3 можна бачити, що
величина реактивного опору індуктивності лінійно збільшується при
протіканні по ній струму, який має гармонічні спотворення основної
синусоїди.

Рис. 1.3. Графіки величини реактивного опору індуктивності,
залежно від номеру гармоніки

Далі, на основі виразу щодо втрат активної потужності

25
ΔP=3×I2R, (1.3)

де I –модуль повного струму в лінії,
R− активний опір лінії,

слідує, що несинусоїдальність напруги і струму непрямим чином впливає на
втрати електроенергії. Для підтвердження такого твердження, розглянемо
наступні міркування.
Модуль повного струму визначається виразом

(1.4)

де I j − діюче значення струму першої гармоніки.
Тоді вираз 1.4 представимо, як

(1.5)

Відмінність форми кривої від синусоїди характеризується сумарним
коефіцієнтом гармонічних складових (THD), тоді далі

(1.6)

Поєднуючи 1.5 і 1.6, отримаємо

26
(1.7)

На основі 2.3 і 2.7, можна отримати вираз для визначення втрат
потужності, який безпосередньо містить в своєму складі показник
несинусоїдальності, отримаємо

. (1.8)

Отже, на основі виразу (1.8) можна стверджувати, що
несинусоїдальність кривої струму безпосередньо впливає на втрати активної
потужності. Встановлено, що втрати при наявності спотворень струму
визначаються за виразом (1.8).
Далі розглянемо вплив несинусоїдальності напруги.
Несинусоїдальність напруги характеризується значенням коефіцієнта
спотворення напруги KU,%. Він визначається відношенням діючого значення
вищих гармонік напруги Uv до напруги основної частоти U1 або lj номінальної
напруги
 n
U 2 2
ν U ν
ν=2 ν=2
KU = 100  100
U1 Uном ,

де Uv − діюче значення напруги v-ї гармоніки, В (кВ);
n − номер останньої з врахованих гармонік.

Допустимі значення KU, на основі даних представлених в [25], наведено
в таблиці 1.1.

27
Таблиця 1.1.
Коэфіцієнт спотворень напруги, в %
Напруга Нормально допустиме Гранично допустиме
Uном, кВ значення значення
0,38 8,0 12,0
6-20 5,0 8,0
35 4,0 6,0
110-330 2,0 3,0

Реактивна потужність, коефіцієнт потужності. Деталізований
виклад даних понять представлено в [15]. Вказано, що реактивна потужність
не створює корисної роботи. Незважаючи на те, що реактивна потужність та
коефіцієнт потужності в цілому і не є показниками якості електричної енергії,
що входять в стандартний перелік [6], однак цим характеристикам
приділяється значна увага стосовно контексту забезпечення якості
електричної енергії.
В джерелі [10] показано, що реактивна енергія не виконує ніякої
корисної роботи, тобто вона не може переходити в теплову або механічну. Що
ж до коефіцієнта потужності, то можна говорити, що це величина, яка показує
ту частину повної потужності є активною

KП=P/S, (1.9)

де KП – коефіцієнт потужності,
Р − активна потужність,
S − повна потужність.

Також, в контексті вищесказаного, слід розглянути поняття коефіцієнта
реактивної потужності, який описується виразом
28

tg(φ)=Q/P, (1.10)

де Q − реактивна потужність.

Коефіцієнт реактивної потужності це величина, яка показує ту частину
повної потужності є реактивною.
Необхідно зазначити, що деякі дослідники вважають, що коефіцієнт
реактивної потужності більш точний за коефіцієнт потужності (активної) з
таких причин: коефіцієнт потужності не враховує знаку реактивної
потужності, в той час як коефіцієнт реактивної потужності вказує на характер
реактивної потужності (індуктивний чи ємнісний); коефіцієнт потужності не
точний при малих значеннях реактивної потужності, що є більш частим
випадком в практичній діяльності.
Але на практиці, все ж таки, незважаючи на вказані недоліки
розповсюдження набув саме коефіцієнт потужності (активної), із-за того, що
коефіцієнт реактивної потужності дає адекватний результат тільки на першій
гармоніці, тоді як коефіцієнт потужності застосовуваний і у випадку наявності
в мережі вищих гармонічних спотворень напруги і/чи струму.
Якщо в мережі наявна реактивна потужність, то втрати
транспортування електроенергії визначаються також за, раніше
представленим, виразом (1.3).
Але якщо є потреба визначити повний струм, то в цьому випадку
користуються наступним виразом

(1.11)
де IA − активна складова струму.
29
Як відомо, в найкращому випадку коефіцієнт потужності дорівнює
одиниці. Але ж при збільшенні частки реактивної потужності (зменшенні
коефіцієнта потужності), модуль повного струму збільшується, а це
призводить до збільшення величини втрат.
Тоді, для визначення втрат активної потужності використовують вираз

(1.12)

Отже реактивна потужність збільшує втрати при транспортуванні
електроенергії із-за підвищення повного струму в лінії.
В підсумку можна зробити висновок овок про те, що вплив показників
якості електричної енергії на втрати потужності, у випадках їх різних
відхилень від встановлених параметрів, визначається по різному і в залежності
від роду підприємств з різним характером навантаження, та має здійснюватися
індивідуальним способом.
При дослідженнях питань щодо покращення показників якості
електричної енергії і енергетичних показників навантаження промислових
підприємств та систематизації отриманої інформації, необхідно коректно
вибирати об’єкти дослідження з урахуванням їх параметрів, особливостей
режимів роботи електрообладнання тощо.
Таким чином можна стверджувати, що станом на сьогодні, серед
показників якості електроенергії викривлення синусоїди з урахуванням
коефіцієнту потужності (із-за значного поширення потужних перетворювачів
напруги на нелінійних силових вентильних комутаторах), стають одними з
найбільш важливих при остаточній оцінці якості електричної енергії на
промислових підприємствах та розподільчих мережах.
Несиметрія напруг та струмів, причини їх виникнення, можливості
30
симетрування в трифазній мережі. Загальновідомим є той факт, що за певних
обставин, напруга в трифазній мережі, у деяких випадках, може стати
несиметричною. Також прийнято нормування несиметричної напруги
здійснювати по її параметрам на частоті основної гармоніки, тобто розглядати,
коли напруга є синусоїдальною у всіх трьох фазах. Якщо ж амплітуди фазних
чи лінійних напруг рівні, а фазовий зсув однаковий, то це й означає, що
напруга є симетричною. Тоді коли одна з цих ознак чи обидві порушуються,
то напруга стає несиметричною. Таким же способом можна дати визначення
несиметричних струмів. В таких випадках, при оцінці несиметрії напруги
трифазної мережі, відповідно до вимог стандартів, розглядають основну
(першу) гармоніку напруги чи струму (50 Гц).
Якщо розглядати роботу реальних систем електропостачання, то режим
несиметрії може бути на будь-якій частоті, в т. ч. і на вищих гармоніках. Цей
момент треба враховувати при розрахунках чи вимірюваннях симетричних
складових напруги або струму в мережі з викривленою синусоїдою напруги, в
цьому випадку в першу чергу відфільтровують першу гармоніку напруги, а в
другу – обчислюють її симетричні складові.
Причин появи несиметрії напруг є досить багато. Головна причина
несиметрії струмів в мережі виникає із-за нерівності фазних навантажень.
Велика частка споживачів підключається до трифазних мереж та є одно- чи
двофазними навантаженнями. Наприклад, побутові споживачі та деякі
промислові (освітлювальні прилади, побутові прилади, зварювальні апарати,
промислові малопотужні споживачі. Із-за цього мережі 0,4 кВ мають
чотирьохпровідне виконання з робочим нульовим проводом. При цьому
вторинна обмотка трансформатора підстанції 0,4 кВ, що живлять такі мережі,
з’єднана в «зірку», а її нейтраль виводиться четвертим нульовим провідником
і експлуатація такої мережі без нього неможлива. При обриві (перегорянні)
нульового провідника створюється аварійна ситуація, що характеризується
31
недопустимим рівнем несиметрії напруги. У таких випадках на деяких фазах
напруга стає близькою до лінійної, а на інших може упасти майже до нуля.
Якщо розглядати промислові підприємства та їх розподільчі мережі, то
основний інтерес становить несиметрія напруг в мережах 10 (6) кВ, що є
результатом несиметрії навантаження в мережах 0,4 кВ. Більшість споживачів
на напругу живлення 10 (6) кВ мають трифазне виконання. Але й деякі з них
(наприклад, дугові сталеплавильні печі) можуть приводити до несиметрії.
В мережах високої напруги несиметрія може бути із-за конструкції
самої лінії через неоднаковість її опорів по різних фазах. У таких випадках для
симетрування опорів фаз лінії проводять транспозицію фазних проводів через
спорудження спеціальних транспозиційних опор. Такі опори складні по
конструкції, дорогі і є елементом, де пошкодження найбільш ймовірні. Тому
число таких опор прагнуть скоротити, що позначається на недостатній
симетрії напруг, хоча й сприяє підвищенню надійності електропостачання.
Крім того причиною несиметрії напруг можуть бути так звані
неповнофазні режими в мережах з ізольованою нейтраллю. Це особливі, але
допустимі за умовами експлуатації режими. Також до особливих режимів
відносяться режими з замиканням на землю однієї з фаз в мережах з
ізольованою нейтраллю.
При наявній несиметрії трифазної системи напруг виникають так звані
струмів зворотної послідовності I2U, а в чотирипровідних мережах ще й струми
нульової послідовності I0U. Струми зворотної послідовності I2U, викликають
додатковий нагрів електричних машин через створення негативного
обертаючого моменту, також призводять до зниження швидкість обертання
асинхронних двигунів. Зниження швидкості обертання, або збільшення
ковзання асинхронних двигунів, супроводжується збільшеним споживанням
реактивної потужності і в результаті до зниження напруги.
Тоді, коли несиметрія напруг досягає 2%, термін служби асинхронних
32
двигунів через додаткові втрати активної потужності скорочується на 11%,
синхронних − на 16%, трансформаторів − на 4%, конденсаторів у складі
конденсаторних установок аж на 20%. Так, відповідно до вищенаведеного,
рекомендації IEC №892, вказають, що номінальне навантаження двигуна
допускається при коефіцієнті несиметрії за зворотною послідовністю <1%.
При коефіцієнті зворотній послідовності 2%, навантаження двигуна повинне
бути знижене до 96%, при 3% − до 90%, при 4% − до 83% і при 5% − до 76%.
Небезпечні умови для експлуатації чотирьохпровідних мереж
напругою з однофазним навантаженням (комунально-побутові мережі, мережі
житлових будинків і селищ) створюються за рахунок зміщення нейтралі,
обумовленого підвищеним опором нульового проводу. Крайнім аварійним
режимом є режим, обумовлений обривом нульового проводу, коли фазні
напруги зростають до міжфазних (лінійних).
Однією з основних причин виникнення несиметрії напруги є
несиметричне споживання струмів, викликане із-за несиметрично
розподіленого однофазного навантаження. При наявності нейтрального
проводу таке навантаження призводить також до збільшення струму в
нейтралі. Отже розробка методів і засобів симетрування струмів на
промислових підприємствах та розподільчих мережах є важливим завданням.
Загальновизнаним способом вирішення цих задач в сучасних умовах, є
симетрування напруги мережі і струмів навантаження за допомогою пасивних
елементів. Серед таких способів, найбільш поширеним є підключення
конденсаторів з несиметрично розподіленими ємностями по фазах мережі.
Однак, слід зазначити, що такий спосіб не дозволяє здійснити плавне
регулювання струмів компенсації, і як наслідок цього, вони мають досить
низьку ефективність для вирішення завдань симетрування. Іншим способом
симетрування є компенсатор на основі паралельних зустрічно ввімкнених
вентильних комутаторів на основі силових тиристорів з послідовно
33
включеними дроселями, але вони мають істотний недолік − значні
спотворення струмів, які вони вносять при роботі.
Аналіз наукових та науково-практичних публікацій показав, що
останнім часом, ситуація в області симетрування напруг, почала суттєво
змінюватися з розробкою та впровадженням у виробництво повністю
керованих силових вентильних комутаторів [7], [25]. Серед результатів таких
досліджень, почали з’являтися публікації по керуванню якістю електроенергії
через активну фільтрацію, управлінню реактивною потужністю в т. ч. й
потужністю несиметрії [25]. Так в даних джерелах вказується, що для
покращення якості струму найбільшого розповсюдження отримали пристрої,
виконані на основі мостового вентильного напівпровідникового
перетворювача напруги з конденсатором на стороні постійного струму і
дроселями на стороні змінного струму. Аналіз великої кількості
опублікованих робіт показав, що в них проблема компенсації потужності
несиметрії практично не відображена або вирішується неефективними
засобами. Недостатньо розкриті особливості функціонування системи
управління компенсатором, вплив несиметрії струмів на завантаження силової
елементної бази в режимах імпульсної модуляції. Відсутні результати і
рекомендації з проектування, моделювання та експериментальних робіт для
створення ефективних засобів компенсації потужності несиметрії. Вказані
недоліки можуть бути відчутною перепоною щодо досягнення значного
покращення якості електричної енергії, зокрема у відношенні до її несиметрії.
Описати несиметрію напруг чи струмів можна їх симетричними
складовими основної частоти прямої, зворотної і нульової послідовності.
Пряма послідовність є основною складовою. Саме вона визначає чергування
фазних (міжфазних) напруг і, можна сказати, робочу (номінальну) напругу
мережі.
Напруги зворотної та нульової послідовності треба відносити до завад,
34
які зумовлюють в ланцюзі трифазного навантаження відповідні струми.
Вказані струми не здійснюють корисної роботи, приводячи, наприклад, до
зниження крутного моменту на валу обертових машин і їх додатковому
нагріванню. Утроєні значення струмів нульової послідовності в нульових
проводах мереж призводять до їх перевантаження. Замикаючись в обмотках
трансформаторів, з᾿єднаних в «трикутник», струми нульової послідовності
створюють ефект підмагнічування. Однак завдяки цьому струми нульової
послідовності не проникають в мережу 6 − 10 кВ з низьковольтних мереж. Про
несиметрії напруги можна судити за значеннями фазних (міжфазних) напруг і
відносного розташуванню векторів цих напруг у трифазній мережі. Якщо
значення напруг всіх фаз дорівнюють один одному і кути між ними складають
120 град, то така система напруг називається симетричною. Ця умова є
необхідною і достатньою при синусоїдальній напрузі.
При здійсненні кількісної оцінки величини несиметрії напруги або
струму застосовують метод симетричних складових [15]. Метод полягає у
наступному: будь-яка трифазна система синусоїдальних напруг чи струмів
може бути представлена трьома симетричними складовими: прямою,
зворотною та нульовою послідовностями, як показано на рис. 1.4 та 1.5. Саме
цей метод і покладено в процедуру кількісної оцінки показників якості
електроенергії. Розглянемо деякі показники більш детально.
Коефіцієнт несиметрії напруги по зворотній послідовності у відсотках
для будь-якої мережі визначаємо за виразом

3U2(1)
K2U = 100% , (1.13)
U1(1)

де U2(1) − напруга основної частоти зворотної послідовності,
U1(1) − міжфазна напруга основної частоти прямої послідовності.
35

Рис. 1.4. Несиметрична система фазних напруг: UA, UB, UC
симетричні складові прямої UA1, UB1, UC1 (а);
і зворотної послідовності UA2, UB2, UC2 (б);
лінійних напруг: UAВ, UBС, UCА напруг (с)

Рис. 1.5. Несиметрична система фазних напруг: UA, UB, UC напруг (с),
симетричні складові прямої UA1, UB1, UC1 (а)
і нульової UA0, UB0, UC0 (б) послідовності

Коефіцієнт несиметрії напруги за нульовою послідовністю у відсотках
для чотирьох (п'яти) провідної мережі

36
3U0(1)
K0U = 100% ,
U1(1)

де U0(1) − напруга основної частоти нульової послідовності,
U1(1) − лінійна напруга основної частоти прямої послідовності.

Величини напруг чи струмів зворотної та нульової послідовності
можуть бути розраховані за значеннями векторів вихідної несиметричної
системи за допомогою одиничного вектора

a = ej2π/3 = ej120. (1.14)

Далі, для векторів напруг U1(1), U2(1), U0(1) послідовностей фази А можна
записати: для прямої послідовності: U1(1)=1/3(UA+аUB+а2UC); для зворотної
послідовності: U2(1)=1/3(UA+а2UB+аUC); для нульової послідовності:
U0(1)=1/3(UA+ UB+ UC). У цих виразах величини UA, UB, UC − діючі фазні
напруги мережі.
Далі розглянемо методику вимірювань коефіцієнтів несиметрії напруги
за зворотною та нульовою послідовностями [17]. Розрахунок коефіцієнтів
несиметрії напруги по зворотній і нульової послідовності K2U і K0U на i-му
основному інтервалі часу проводиться на основі середньоквадратичних
значень напруги прямої, зворотної та нульової послідовностей основної
частоти

де U1і, U2і, U0і − середньоквадратичні значення напруги прямої, зворотної та
37
нульової послідовностей основної частоти, виміряні на i-му основному
проміжку часу.

Для визначення коефіцієнтів несиметрії напруги по зворотній і
нульовій послідовностями, відповідно K2U і K0U, на інтервалі усереднення
використовуємо вирази

де N – число основних інтервалів часу на інтервалі усереднення.

Діючі стандарти IEC для коефіцієнтів несиметрії напруги по зворотній
і нульової послідовності встановлюють наступні норми по показникам якості
електроенергії: значення коефіцієнтів несиметрії напруг по зворотній
послідовності K2U і несиметрії напруг за нульовою послідовністю K0U в точці
передачі електричної енергії, усереднені в інтервалі часу 10 хв, не повинні
перевищувати 2% протягом 95% часу інтервалу в один тиждень; значення
коефіцієнтів несиметрії напруг по зворотній послідовності K2U і несиметрії
напруг за нульовою послідовністю K0U в точці передачі електричної енергії,
усереднені в інтервалі часу 10 хв, не повинні перевищувати 4% протягом 100%
часу інтервалу в один тиждень.
Далі розглянемо такі показники якості електричної енергії, як усталене
відхилення, коливання напруги, провал напруги, імпульс напруги, зокрема
методику визначення їх кількісних характеристик.
Для визначення відхилення напруги знаходять різницю між дійсним U і
номінальним Uном значеннями напруги у вольтах
38

ΔUу = U − Uном,

а також у %,

Uу = ((U − Uном)/Uном )×100%. (1.15)

За дійсну напругу U в трифазних електричних мережах приймається
напруга прямої послідовності основної частоти (першої гармоніки).
Нормально допустимі значення відхилення напруги складають 5%, а
гранично допустимі значення до 10%.
Нормально допустимі і гранично допустимі значення відхилення
напруги в точці загального приєднання у відповідних мережах повинні бути
встановлені в договорах на споживання електроенергії між споживачем і
енергопостачальною організацією.
Розглянемо такий показник, як коливання напруги. До них відносять
швидкі зміни діючого значення напруги, що відбуваються зі швидкістю 1−2%
в секунду і більше. Коливання напруги характеризуються амплітудою
(розмахом зміни напруги) Ut; частотою f і інтервалами між наступними один
за одним змінами напруги ti, i+1 , як представлено на рис. 1.6. Амплітуда
коливань визначається різницею між слідуючими один за одним
екстремумами огинаючої діючих значень напруги у вольтах

δUt = Umax − Umin, (1.16)
або у відносних одиницях

δUt = (Umax − Umin)/Uном. (1.17)

39

U, %
99
t34
98
t12 t 23 t 45
97
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T, c

Рис. 1.6. Приклад типового графіка коливання напруги

Частота коливань напруги при числі їх m за час Т (1/с, 1/год)
визначається виразом

f=m/T. (1.18)

Наступний показник якості − провал напруги. Провал напруги
характеризується тривалістю провалу. Відповідно до ПУЕ в електричних
мережах напругою до 20 кВ включно, гранично допустиме значення
тривалості провалу становить 30 с.
При визначенні тривалості провалу напруги фіксується початковий
момент часу tпоч різкого зниження огинаючої середньоквадратичних значень
напруги тривалістю менше 10 мс, визначених на кожному напівперіоді
основної частоти, нижче рівня 0,9Uном, показано на рис. 1.7.

U1
U2
U3
U4
U5
40

Рис. 1.7. Приклад типового графіку провалу напруги

Коли відбувається відновлення напруги до значення U = 0,9Uном,
здійснюється фіксація кінцевого моменту часу tк провалу напруги. Тривалість
провалу напруги визначається за виразом

Δ tп = tк − tн, (1.19)

Величина глибини провалу напруги у %, визначається за виразом

δUп = ((Uном − Umin)/ Uном) ×100%. (1.20)

Розглянемо показник якості − імпульс напруги. Такий імпульс це різка
зміна напруги в електричній мережі, за яким йде відновлення напруги до
початкового або близького значення за проміжок часу в кілька мс. Значення
імпульсної напруги, визначається максимальним значенням миттєвої напруги
при різкій її зміні при тривалості фронту не більше 5 мс. Для визначення
тривалості імпульсу напруги за рівнем 0,5 його амплітуди з кривої напруги
виділяють імпульс напруги з максимальною амплітудою. Початковий і
кінцевий моменти часу відповідають перетинанню кривій імпульсу напруги
горизонтальною лінією, проведеною на половині амплітуди імпульсу.
41
Далі, в представленій магістерській роботі особлива увага буде
приділена таким показникам якості: коефіцієнту спотворення
синусоїдальності кривої напруги і коефіцієнту − n-та гармонічна складова
напруги.

1.3 Можливість застосування вентильних комутаторів для
підвищення якості електричної енергії
Вентильні комутатори є основним змістом поняття «енергетична
електроніка».
Енергетична електроніка − це сильнострумова вітка промислової
електроніки, яка вивчає методи перетворення електричної енергії та пристрої,
що реалізують ці методи. Енергетична електроніка розпочала свою історію на
початку XX століття після створення електронного діода, а пізніше ртутного
вентиля, але справжній її розвиток і широке впровадження пов’язаний з
появою силових напівпровідникових приладів вентильного типу.
Такі терміни як енергетична електроніка, силова електроніка − все це
синоніми терміну перетворювальна техніка але, мабуть, більш точно
відображають її зміст. Тому можна вважати, що основною складовою
енергетичної електроніки є перетворювальна техніка. Перетворювальна
техніка, у свою чергу, вивчає питання перетворення електричної енергії.
Перетворення електричної енергії − це зміна її параметрів, а саме: напруги,
числа фаз, частоти, включаючи нульову, тобто постійний струм. Таким чином
можна зробити висновок, що перетворення електричної енергії нерозривно
пов’язано з покращенням якості електроенергії, зміну форми напруги тощо.
Саме в останньому контексті і будемо далі розглядати застосування
вентильних комутаторів.
В якості основних видів напівпровідникових приладів в енергетичній
електроніці застосовуються діоди, тиристори і транзистори. Прилади, що
42
працюють в ключовому режимі (відкритий, закритий), називаються
вентилями. Перетворювачі, виконані на силових вентилях, називаються
силовими вентильними перетворювачами.
За допомогою вентильних комутаторів у складі пристроїв
перетворювальної техніки, більше половини електроенергії, що виробляється
перетворюється в інші види. Тому особливо велика роль вентильних
комутаторів і в питанні енергозбереження.
Силові вентильні комутатори є основою сучасного електроприводу і
знаходять в ньому все більш широке застосування. Вони застосовуються на
транспорті, в різного роду електротехнологічних установках, на
електростанціях, підстанціях і т. д.
В якості основних видів напівпровідникових приладів в силовій
електроніці застосовуються діоди, тиристори і транзистори. Прилади, що
працюють в ключовому режимі (відкритий, закритий), називаються
вентилями. Отже, перетворювачі, виконані на силових вентилях і являють
собою вентильні комутатори. Значне поширення застосування пристроїв
перетворювальної техніки на основі вентильних комутаторів обумовлено
перевагами напівпровідникових приладів і елементів мікроелектроніки −
малими габаритами, швидкодією, чутливістю, надійністю, економічністю і
широкими можливостями перетворення інформації.
Таким чином грамотне проектування та створення ефективної
перетворювальної техніки неможливе без знання теоретичних основ та
методів аналізу як статичних так і динамічних процесів у електричних колах з
напівпровідниковими силовими вентильними комутаторами.
Далі розглянемо перспективи застосування вентильних комутаторів для
покращення якості електроенергії.
Якість електроенергії є важливою характеристикою для будь-якої
системи електропостачання. Вона визначає надійність і ефективність роботи
43
обладнання та електроприладів. Неякісна електроенергія може призводити до
перешкод у роботі обладнання, підвищеного споживання енергії та навіть до
пошкодження електроприладів.
Вентильні комутатори є одним із перспективних напрямків
удосконалення покращення якості електроенергії. Вентильні комутатори − це
електронні пристрої, які використовують вентилі для керування потоком
електроенергії. Вони можуть використовуватися для різних цілей, включаючи:
Придушення гармонік. Гармоніки - це високочастотні складові струму
або напруги, які можуть виникати в системах електропостачання внаслідок
нелінійних навантажень. Вентильні комутатори можуть використовуватися
для видалення гармонік з електроенергії, що покращує її якість та підвищує
надійність роботи обладнання.
Випрямлення та інвертування. Вентильні комутатори можуть
використовуватися для випрямлення змінного струму в постійний і навпаки.
Це може бути корисно для живлення обладнання, яке вимагає постійного
струму, або для перетворення електроенергії з однієї форми в іншу.
Контроль напруги. Вентильні комутатори можуть використовуватися
для контролю напруги в мережі. Це може бути корисно для забезпечення
стабільної напруги для електроприладів та обладнання.
Вентильні комутатори мають ряд переваг перед традиційними методами
покращення якості електроенергії. Вони є більш компактними, ефективними
та недорогими. Крім того, Вентильні комутатори можуть бути програмовані
для виконання різних завдань.
В перспективі очікується, що застосування вентильних комутаторів для
покращення якості електроенергії буде всебічно зростати в майбутньому. Це
пов'язано з наступними факторами:
− зростання вимог до якості електроенергії. По мірі того, як
електроенергія стає все більш важливою для сучасного суспільства, зростають
44
вимоги до її якості. Вентильні комутатори можуть допомогти задовольнити ці
вимоги.
− розвиток технології виробництва вентильних комутаторів. Технологія
Вентильні комутатори постійно розвивається, що робить її більш доступною
та ефективною.
− вентильні комутатори мають потенціал для значного покращення
якості електроенергії. Вони можуть допомогти забезпечити надійну і
ефективну роботу обладнання та електроприладів, що є важливим для
економіки та суспільства в цілому.
Вентильні комутатори бувають різних типів, залежно від
використовуваних вентилів та їх призначення.
За типом використовуваних вентилів вентильні комутатори бувають:
− На основі тиристорів. Тиристори − це електронні ключі, які можуть
перемикатися з закритого стану в відкритий і навпаки. Тиристорні VC є
найбільш поширеним типом VC. Вони є відносно недорогими та ефективними,
і можуть використовуватися для різних цілей, включаючи позбавлення від
гармонік, випрямлення та інвертування, а також контроль напруги.
− На основі транзисторів з ізольованим затвором (IGBT). Абревіатура
IGBT − це тип транзистора, який має низьке падіння напруги на затворі
(високий вхідний опір), що робить його більш ефективним, ніж тиристори.
IGBT вентильні комутатори можуть використовуватися для тих же цілей, що і
тиристорні вентильні комутатори, але вони є більш й дорогими.
− На основі симісторів. Симістори − це тип транзистора, який може
пропускати струм в обох напрямках. Симісторні вентильні комутатори можуть
використовуватися для тих же цілей, що і тиристорні вентильні комутатори,
але вони є більш складними і дорогими.
45
Окрім цього, вентильні комутатори можуть бути класифіковані також і
за іншими параметрами, такими як частота роботи, потужність, габарити та
інші.

1.4 Переваги та недоліки застосування вентильних комутаторів
Напівпровідникові комутатори − це електронні компоненти, які
використовуються для перемикання електричного струму. Вони працюють на
основі властивостей напівпровідників, таких як p-n-перехід або Шотткі.
До переваг можна віднести швидкість перемикання. Напівпровідникові
комутатори можуть перемикатися дуже швидко, з часом перемикання до
декількох наносекунд. Це робить їх придатними для застосування в
швидкодіючих схемах в т.ч. високочастотних перетворювачах.
Також до переваг відноситься їх висока надійність. Вентильні
напівпровідникові комутатори мають довгий термін служби і не вимагають
технічного обслуговування. Вони не мають рухомих частин, які можуть вийти
з ладу, як у випадку з електромагнітними реле та контакторами.
Ще одна перевага це порівняно незначні розміри та вага.
Напівпровідникові комутатори є компактними і легкими, що полегшує їх
монтаж та експлуатацію.
Також вентильні напівпровідникові комутатори, як правило, є більш
дешевими, ніж інші типи комутаторів.
Крім того до переваг віднесемо високу надійність напівпровідникових
комутаторів, яка визначається їх здатністю працювати без збоїв протягом
тривалого періоду часу. Ця здатність залежить від таких факторів, як якість
виготовлення, матеріали та методи охолодження.
Але поряд з вказаними перевагами можна відмітити й ряд недоліків, далі
їх розглянемо.
46
Одним з вагомих недоліків є обмежена потужність. Вентильні
комутатори мають обмежену потужність, якою вони можуть керувати.
Наступний недолік це інколи недостатня електрична міцність, тобто
недостатня високовольтність.
Також вагомим недоліком є необхідність охолодження.
Напівпровідникові комутатори можуть виділяти значну частку тепла, тому їх
необхідно охолоджувати. Це може бути зроблено шляхом повітряного або
рідинного примусового охолодження.
Надивлячись на наявність недоліків, існуючі переваги значно їх
перекривають, тому застосування вентильних комутаторів в енергетичній
електроніці є цілком виправданим, а особливо значних результатів можна
досягти в питаннях покращення показників якості електричної енергії
промислових підприємств та розподільчих мереж.

Висновки до розділу 1
1. Проблема забезпечення показників якості електроенергії не є
внутрішньою електротехнічною проблемою, а стосується усіх галузей
економіки України і є важливою проблемою, що потребує нагального та
невідкладного вирішення.
2. Вирішенню важливої проблеми щодо забезпечення якості
електроенергії, присвячено значну кількість наукових досліджень і
практичних розробок як зарубіжних, так і вітчизняних авторів.
3. На сьогоднішній день проблема вирішена не повністю у зв’язку з
появою та все ширшим впровадженням нетрадиційних альтернативних
джерел електричної енергії та застосуванням, через це, потужних
напівпровідникових перетворювачів електричної енергії на основі
напівпровідникових силових пристроїв.
47
4. Показники якості визначають за стандартами та нормами. Створення
норм і стандартів є нагальною проблемою як в Європейському Союзі, так і в
Україні.
5. Останнім часом в Україні, у тісній співпраці з міжнародними
організаціями, прийнято низку важливих нормативних документів стосовно
показників якості електричної енергії в мережах середньої та високої напруг,
в основу яких покладено стандарти провідних країн світу.
6. Показано, що одним із перспективних напрямків щодо заходів для
покращення показників якості електроенергії є застосування пристроїв
енергетичної електроніки на основі вентильних комутаторів.

48
РОЗДІЛ 2
АНАЛІЗ ОСНОВНИХ ПІДХОДІВ ДО РОЗРОБКИ ЗАСОБІВ ДЛЯ
ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ОСНОВІ
ЗАСТОСУВАННЯ ВЕНТИЛЬНИХ КОМУТАТОРІВ

2.1 Ретроспектива та подальший розвиток розвитку силових
вентильних комутаторів
Сучасні галузі електротехніки неможливо уявити без
перетворювальної техніки, яка дозволяє змінювати форму, частоту, напругу та
інші характеристики електричного струму.
Енергетична електроніка − молода наука, яка виникла в кінці XIX
століття.
Перший етап її розвитку пов'язаний з радіотехнікою. Так 2 липня 1897
року Марконі став першою людиною, яка отримала патент на радіо.
Другий етап розвитку енергетичної електроніки пов'язаний з
винаходом електронного вакуумного діода Джоном Флемінгом у 1904 році.
Діод міг пропускати струм тільки в одному напрямку і фактично вже був
вентилем, що було важливим для створення перетворювачів електричного
струму які були прообразом сучасних вентильних комутаторів.
Третій етап розвитку енергетичної електроніки пов'язаний з винаходом
напівпровідникових приладів. У 1948 році Джон Бардін, Уолтер Браттейн і
Вільям Шоклі винайшли транзистор − пристрій, який міг замінити
електронно-вакуумний діод і тріод.
Четвертий етап розвитку енергетичної електроніки пов'язаний з
впровадженням мікроелектроніки. Мікропроцесори та мікросхеми дозволили
створювати високоефективні перетворювачі електричного струму.
У сучасному світі енергетична електроніка є основою багатьох галузей
промисловості.
49
На початку 1900-х років в США Купером Юітом були розроблені
скляні ртутні випрямлячі, що започаткували широке застосування силових
приладів для енергетичної електроніки. Перший металевий ртутний
випрямляч з'явився в Німеччині в 1911 р Його творець − інженер Б. Шеффер.
В середині 20-х років почався випуск перших напівпровідникових
випрямлячів, виконаних у вигляді послідовно з'єднаних мідних пластин,
покритих оксидом міді. Розвиток напівпровідникової техніки стримувався
через відставання теорії, а також відсутність відповідних технологій.
Пізніше, у 1948 році був винайдений транзистор. За цей винахід його
творці Уолтер Браттейн, Джон Бардін і Вільям Шоклі були удостоєні
Нобелівської премії. Перший транзистор був біполярним. Роботи зі створення
польового транзистора велися тривалий час, але тільки в 1958 р польському
вченому Станіславу Тешнер, який працював у Франції, вдалося створити
прилад, придатний для практичного застосування.
Далі, у 1958 р фірмою westinghouse були розроблені силові тиристори
− потужні напівпровідникові прилади, які прийшли на зміну керованим
ртутним випрямлячам і спричинили справжню революцію в керованому
електроприводі та електротехнологіях. Досить зауважити, що ртутний вентиль
на 1000 А мав масу 300 кг, а тиристор на той же струм разом з охолоджувачем
− всього 5 кг. Пізніше тиристори почали випускатися вже в 1961 р. Потім
з᾿явилися симетричні тиристори, причому на кілька місяців раніше, ніж за
кордоном. Під керівництвом І.В. Грехова були розроблені напівпровідникові
генератори потужних наносекундних імпульсів. В другій половині минулого
століття з'явилися перші вітчизняні роботи по застосуванню тиристорів на
ультразвукових частотах [39].
У 90-і роки минулого століття ознаменувалися винаходом Ніідзавой
(фірма «Тошиба», Японія) IGBT-транзистора. Поява цього приладу призвела
50
до справжньої революції в електроприводі змінного струму і викликала його
бурхливий розвиток.
У 1960-ті роки виникла зовсім нова область електроніки −
оптоелектроніка. Вона дозволила створити елементи, що дозволяють
електрично (гальванічно) розділити окремі частини системи, і в той же час
забезпечити інформаційний зв'язок між ними.
Розвиток енергетичної електроніки визначався не тільки розвитком
силових приладів, але і систем управління. Створення операційних
підсилювачів пов'язане з ім'ям Роберта Відлар, який визначив на багато років
структуру аналогових інтегральних мікросхем. У 1959 р Джек Кілбі і Роберт
Нойс винайшли першу цифрову інтегральну мікросхему.
Перші мікропроцесори з'явилися на початку 70-х років. Вони були
розроблені фірмою Intel під керівництвом Марчіана Хоффа. Кінець XX і
початок XXI століття − це час розквіту комп'ютерної техніки та найширшого
застосування її в усіх областях діяльності людини, зокрема, у вигляді
мікроконтролерів в системах управління силовими вентильними
перетворювачами різного призначення.
Великий шлях за минулі сто років пройшла і схемотехніка енергетичної
електроніки. Важко назвати тут всіх інженерів і вчених, які внесли основний
внесок в її розвиток. Відзначимо лише авторів найпоширеніших силових схем,
які стали класичними: Гретца − автора однофазної мостової схеми і Ларіонова
і Гретца − авторів трифазної мостової схеми.
Великий резерв підвищення енергоефективності було закладено в
можливості підвищення одиничної потужності вентильних приладів силової
електроніки і зменшення втрат в них.
Найважливіше значення має зменшення шкідливого впливу
вентильних перетворювачів на мережу живлення аж до поліпшення якості
напруги за рахунок вентильних перетворювачів.
51
Зростання ступеня інтеграції цифрових елементів систем управління
зробили незворотною масову заміну аналогових систем керування на системи
прямого цифрового управління. В майбутньому − вбудовані системи
інтегруються разом з силовими перетворювачами та виконавчими двигунами
в одне ціле − механотронний модуль руху.
Зменшення потужності систем управління вимагає особливої уваги до
проблем завадостійкості.
Основні витрати при розробці СУ тепер припадають не на створення
апаратної частини, а на розробку алгоритмічного та програмного
забезпечення.
У зв'язку зі зростаючим ступенем складності електротехнічних
пристроїв та установок величезне значення матиме і якнайшвидше
впровадження інформаційних і комп'ютерних технологій у проектування,
конструювання, виробництво і експлуатацію електроустановок.

2.2 Класифікація та функціональний склад вентильних
комутаторів
Вентильні комутатори у складі різного роду силових перетворювачів
можуть класифікуватися за рядом ознак. На рис. 1.1. представлена
класифікація на основі функцій ними виконуваних.
Щодо робочої мережі комутатори у складі перетворювачів діляться на:
а) ведені мережею, в яких процеси відбуваються синхронно з частотою
мережі;
б) автономні, які або не пов'язані з мережею, або не залежать від
частоти мережі.
За призначенням вентильні перетворювачі діляться:
а) на випрямлячі, які перетворюють змінний струм в постійний струм;
б) на інвертори, які перетворюють постійний струм в змінний струм;
52
в) на перетворювачі частоти, які перетворюють змінний струм однієї
частоти в змінний струм іншої частоти;
г) на перетворювачі змінної напруги, що змінюють величину змінної
напруги. При цьому частота і кількість фаз залишаються незмінними;
д) на перетворювачі числа фаз, які змінюють число фаз при незмінній
частоті;

Рис. 2.1. Класифікація силових перетворювачів на основі вентильних комутаторів
53
е) на компенсатори і активні фільтри, які підвищують якість напруги в
мережі;
ж) на перетворювачі постійної напруги, що змінюють величину
постійної напруги;
з) на генератори імпульсів, формують імпульси довільної форми і
частоти.
До функціонального складу силових перетворювачів на основі
вентильних комутаторів входять: силова частина, система керування.
Функціональний склад силових перетворювачів на основі вентильних
комутаторів представлено на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Функціональний склад перетворювача на основі вентильного комутатора

Елементами силової частини є: вентилі; трансформатори; реактори;
конденсатори.
Система керування може бути аналоговою, цифровою або
комбінованою.

54
2.3 Основні підходи до моделювання електричних схем з
вентильними комутаторами
Загальна методика аналізу процесів в електротехнічних пристроях з
ключовими елементами складається з наступних основних кроків (рис. 2.3):
вибір моделей елементів принципової схеми пристрою; формування його
еквівалентної схеми; математичне описання процесів, що відбуваються в
еквівалентній схемі (формування математичної моделі цих процесів); рішення
одержаних рівнянь для визначення режиму роботи елементів.

Рис. 2.3. Послідовність кроків моделювання електричних схем з силовими
вентильними комутаторами
55
Особливість цих етапів, для випадку аналізу процесів в
напівпровідникових перетворювачах електричної енергії, є наступною.
Характерною рисою ключових та вентильних елементів, як базових
елементів силових вентильних комутаторів, є те, що у ввімкненому стані їх
опір є значно меншим опору інших елементів електричного кола, а у
вимкненому – значно більшим. У зв’язку із цим в теорії напівпровідникових
перетворювачів найбільш поширеними є різні типи ключових моделей
силових напівпровідникових приладів (S, RS, RLS, RCS, RLCS та інші). Якщо в
схему перетворювача крім вентильних та ключових елементів входять інші
нелінійні або параметричні елементи, здійснивши кусочно-лінійну
апроксимацію ВАХ нелінійного елемента, або замінивши безперервну зміну
опору параметричного елемента кусково-постійною, ці елементи також можна
замінити відповідними куксово-лінійними схемами заміщення (тобто
ключовими моделями) (рис. 2.4 та 2.5).
Таким чином, у багатьох випадках [36], перетворювач зводять до
еквівалентної схеми, що містить лише лінійні елементи електричного кола та
керовані ключі. В моменти комутації ключів в еквівалентній схемі дискретно
змінюються параметри окремих елементів, або структура електричного
ланцюга. Подібні електричні ланцюги названо дискретно-лінійними.
При кожній комутації ключових елементів в ланцюзі виникає
перехідний процес. Якщо тривалість інтервалів між комутаціями менша від
тривалості виникаючих при цьому перехідних процесів, матиме місце
послідовність незавершених перехідних процесів – багатоступінчатий
перехідний процес.
Залежно від характеру змін, що відбуваються в перетворювачах при
комутаціях, їх дискретно-лінійні схеми заміщення ділять на три типи: з
постійними структурою та параметрами; з постійною структурою та змінними
параметрами; із змінною структурою.
56
Кожен тип перетворювачів має певні особливості. Залежно від типу
перетворювача та режиму його роботи використовують відповідні методи
аналізу та розрахунку.

Рис. 2.4. Перетворення характеристики опору нелінійного елемента кусково-
лінійними схемами заміщення

Рис. 2.5. Перетворення характеристики опору нелінійного елемента кусково-
постійними (ключовими) схемами заміщення

57
Порівняння існуючих методів аналізу та розрахунку різних типів
напівпровідникових перетворювачів показує, що найбільш загальним та
універсальним з цих методів є метод припасовування. Він є точним і дає
можливість розраховувати перехідні та усталені процеси в різних типах
перетворювачів як в нормальних, так і аварійних режимах роботи при різних
видах зовнішніх дій. Основним недоліком метода припасовування є його
висока трудомісткість. При аналітичних розрахунках висока трудомісткість
метода припасовування у першу чергу пов’язана з необхідністю визначення
сталих інтегрування при кожному переході від інтервалу до інтервалу. При
чисельних розрахунках висока трудомісткість метода припасовування
пов’язана з необхідністю послідовного розрахунку усіх інтервалів
багатоступінчатого перехідного процесу, а також забезпечення малого кроку
інтегрування диференційних рівнянь для збереження стійкості процесу
обчислень.
В роботах [32, 33] та інших, було показано та детально проаналізовано
причини високої трудомісткості метода припасовування та запропоновано
шляхи її суттєвого зменшення. У загальному випадку [21] розрахунок
електромагнітних процесів в дискретно-лінійних схемах заміщення
перетворювачів методом припасовування складається з таких кроків.
1. Виділяють лінійні еквівалентні схеми перетворювача, які існують на
інтервалах між комутаціями його ключових та вентильних елементів.
2. Для одержаних еквівалентних схем складають та розв’язують
диференційні рівняння, які описують перехідні процеси на інтервалах між
комутаціями. У загальному випадку ці перехідні процеси відбуваються при
наявності деяких початкових умов в реактивних елементах. Однак, на цьому
етапі розрахунків ці початкові умови є невідомими і в одержані рішення
диференційного рівняння входять у загальному вигляді, як невідомі.
58
3. Визначають початкові умови на границях інтервалів між комутаціями.
Для визначення цих початкових умов і використовується метод
припасовування.
Порівняльний аналіз існуючих методів [40] розрахунку перехідних
процесів в силових вентильних перетворювачах на інтервалах між
комутаціями показує, що основною причиною їх високої трудомісткості при
аналітичних розрахунках є необхідність визначення сталих інтегрування при
кожному переході від інтервалу до інтервалу.
Таким чином, задача розробки методів, алгоритмів та програм
прискореного розрахунку процесів в перетворювачах обумовлює необхідність
більш детального аналізу причин високої трудомісткості існуючих методів, а
також можливостей її зменшення, як за рахунок вдосконалення способів
описання процесів на інтервалах, так і за рахунок розбиття процесу
розрахунків на певну кількість відносно простих процедур, які є однаковими
для різних типів перетворювачів і легко формалізуються та алгоритмізуються.

2.4 Особливості математичних моделей вентильних комутаторів
При побудові математичної моделі електромеханічної системи , з метою
надання користувачу можливості вибору для кожної ланки системи найкращого
способу її математичного опису, необхідно мати певний набір моделей для
типових ланок. Зокрема, з огляду на тематику нашої магістерської роботи,
зупинимось на розгляді елементів енергоелектронної підсистеми, як було
показано раніше на рис. 2.2. До складу даної підсистеми входить, в т.ч. силова
частина яка фактично і являє собою вентильний комутатор побудований на
силових напівпровідникових вентилях.
Останнім часом значного поширення в системах мехатpоніки одержали
силові вентильні напівпровідникові перетворювачі. До таких перетворювачів
у системах постійного струму належить керований випрямляч та широтно-
59
імпульсний перетворювач, а в системах змінного струму — автономний
інвертор.
У мехатронних системах силові напівпровідникові перетворювачі
забезпечують керування швидкістю обертання вала і моментом
електродвигуна. Вони вмикаються між двигуном і основним джерелом
живлення. За принципом дії силові вентильні перетворювачі поділяються на
наступні базові типи:
– широтно-імпульсні перетворювачі (ШІП), побудовані на основі
застосування ШІМ модуляції, вони зв’язують джерело постійного струму із
двигуном постійного струму;
– керовані випрямлячі (КВ), що зв’язують джерело змінного струму
із двигуном постійного струму. Частковим випадком КВ є некерований
випрямляч, який використовується у вторинних джерелах живлення (В);
– автономні інвертори (АІ), що зв’язують джерело постійного
струму із двигуном змінного струму;
– безпосередні перетворювачі частоти (БПЧ), що зв’язують джерело
змінного струму із двигуном змінного струму.
Особливо слід зупинитися на розгляді особливостей ШІП
перетворювачів. При всій різноманітності імпульсних перетворювачів (ШІМ,
резонансні, квазірезонансні, тощо), проблеми підвищення їх к.к.д., зменшення
масогабаритних показників і вартості залишаються такими ж актуальними.
Особливу актуальність ці проблеми набувають внаслідок появи і
впровадження нових технологій конструювання перетворювачів, суть яких
складається в переході до модульного принципу побудови їх силових вузлів.
Як конструктивно закінчені вироби, сучасні силові інтегральні модулі, що
містять, крім комутуючих елементів, також пристрої їх керування, живлення,
формування траєкторії перемикання і захисту, не підлягають ремонту, а
параметри внутрішніх ланцюгів не можуть бути скоректовані в процесі
60
експлуатації. Тому силові модулі повинні характеризуватися високим
ступенем надійності й універсальності. Крім того, як відомо, кількість
компонентів будь-якого виробу істотно впливає на його масогабаритні
показники і надійність. Тому функціональна інтеграція внутрішніх пристроїв
інтегральних силових модулів є одним з важливих кроків в напрямку
мініатюризації імпульсних перетворювачів при збереженні високих
електротехнічних характеристик.
В даний час у системах імпульсного регулювання потужності
поширений метод широтно-імпульсної модуляції (ШІМ-метод) завдяки
надійності, простоті схемотехнічних рішень перетворювачів і невисокій
вартості. Він використовується в системах електроприводів, а також
імпульсних системах електроживлення. Перетворювачі, що використовують
імпульсні методи регулювання в електроприводах постійного струму,
працюють у низькочастотному діапазоні (2 − 20 кГц), а високочастотний
діапазон (20 кГц – 2 МГц) відведений перетворювачам постійної напруги
імпульсних джерел живлення.
Основним недоліком існуючих підходів до рішення проблем
забезпечення ефективної й економічної роботи імпульсних перетворювачів з
ШІМ є використання таких принципів і способів побудови внутрішніх
пристроїв силових модулів, схемотехнічні рішення яких характеризуються
сталістю параметрів своїх ланцюгів і, як правило, розраховані на номінальний
режим роботи у вузькому частотному діапазоні. При цьому робота таких
пристроїв зі зміною параметрів навантаження, зовнішніх ланцюгів або робочої
частоти стає неефективною, що приводить до завищення сумарних втрат
потужності і зниженню к.к.д. функціонування усього комутуючого блоку. Як
наслідок, схемотехнічні рішення пристроїв, застосованих в інтегральних
модулях одного перетворювача, у кращому випадку працюють в режимі
61
неоптимального енергоспоживання або взагалі виявляються непрацездатними
в складі іншого перетворювача тієї ж потужності.
Класифікаційна схема базових вентильних перетворювачів за
принципами функціонування та можливі варіанти їх застосування у системах
постійного і змінного струму представлені на рис. 2.6.

Джерело постійного струму
Джерело змінного струму
В КВ В
ШІП КВ АІ БПЧ
ШІП АІ АІ
Електродвигун постійного Електродвигун змінного
струму Електродвигустнр зуміун ного струму

Рис. 2.6. Функціональний склад базових вентильних перетворювачів у
електротехнічних системах

У системах постійного струму виконавчим рушієм є двигун постійного
струму. При живленні від джерела постійного струму в якості силового
перетворювача використовується широтно-імпульсний перетворювач. Якщо
джерелом живлення є мережа змінного струму, то в такому разі може
застосовуватись керований випрямляч, або комбінація: вторинне джерело
живлення + широтно-імпульсний перетворювач.
У системах змінного струму виконавчим елементом є двигун змінного
струму. У цьому випадку, при живленні від джерела постійного струму,
застосовується автономний інвертор, а при живленні від джерела змінного
струму — безпосередній перетворювач частоти або комбінації: керований
випрямляч + автономний інвертор; випрямляч + автономний інвертор. Слід
62
зазначити, що для керування двигунами постійного струму необхідно
регулювати лише напругу, а для керування двигунами змінного струму —
напругу і частоту [23].
Сучасні силові напівпровідникові перетворювачі можуть виконуватись
у вигляді окремих уніфікованих блоків або бути вмонтованими в
електропривод. Для забезпечення необхідних законів регулювання вони
можуть містити власні мікропроцесорні модулі або керуватись ззовні через
стандартні інтерфейси [22, 23].
При введенні перетворювача в експлуатацію необхідно спочатку
виконати його параметризацію — встановлення номінальних параметрів
двигуна (тип, частоту і напругу живлення, потужність, силу струму, ККД,
частоту обертання валу, cos , тип охолодження, струм намагнічування), тип
навантаження на валу, допустиме перевантаження на валу та ін. Однак, в ряді
випадків деякі параметри двигуна можуть бути невідомими.
Для організації зворотного зв’язку між об’єктом керування та силовим
напівпровідниковим перетворювачем використовується набір сенсорних
перетворювачів, які підключаються через стандартний інтерфейс. Інформація
від датчиків може поступати в аналоговому або цифровому виді. У разі, коли
перетворювач керується зовнішнім контролером, при побудові математичної
моделі об’єкта керування необхідно враховувати також вплив зворотних
зв’язків на його динаміку.
Отже, враховуючи те, що електромеханічні системи мехатронного типу
розвиваються по шляху уніфікації, агрегатизації та типізації, а також той факт,
що структурні компоненти таких систем, як правило, взаємодіють один з
одним, мають складну структуру, в тому числі локальні засоби автоматичного
регулювання, існує необхідність у розробці саме непараметричних
математичних моделей з використанням методів ідентифікації.

63
2.5 Моделювання динаміки електричних кіл з вентильними
комутаторами за допомогою багатопараметричних функцій
Проведений аналіз публікацій з тематики математичного моделювання
та розрахунку усталених і перехідних процесів у електричних колах з
напівпровідниковими вентильними комутаторами дав змогу стверджувати, що
наявність таких компонентів суттєво ускладнює задачі розрахунку та
дослідження виникаючих у подібних колах електромагнітних процесів.
Найбільші складними виявляються задачі моделювання в колах зі структурою,
яка може змінюватися. В таких випадках в ланках виникають синусоїдні,
постійні та імпульсні струми під дією відповідних напруг. Тематика
публікацій також показує, що для моделювання та розрахунку процесів у
таких електричних колах традиційно переважно використовують чисельні
методи, реалізовані в пакетах прикладних програм типу Mathcad та Matlab.
Відомо, що застосування пакету Mathcad дозволяє виконувати чисельні
розрахунки динамічних процесів у електричних колах змінної структури з
використанням математичних формул і символьних характеристик елементів
кіл. Отримування результатів у вигляді узагальнюючих рівнянь і символьних
параметрів, вигідно відрізняє такий підхід від інших. Його розвиток у
публікаціях [31, 33], призвів до розробки методу багатопараметричних
моделюючих функцій, використання якого спростило розрахунки динамічних
процесів у колах синусоїдного струму. Але були відсутні математичні моделі
для розрахунку цим методом електромагнітних процесів у колах напівпро-
відникових перетворювачів, підключених до фазних і лінійних напруг
трифазної мережі живлення для багатозонного широтно-імпульсного
регулювання вихідних постійних та імпульсних напруг у різних
електротехнологічних навантаженнях.
Аналіз наукових праць [24, 31] показав, що метод багатопараметричних
функцій може бути ефективним при аналізі перехідних процесів у
64
електричних колах накопичувальних конденсаторів напівпровідникових
формувачів електророзрядних систем, але необхідно було визначити критерії
обмеження використання методу в електричних колах різних розгалужених
структур.
Було також виявлено, що для комп’ютерного моделювання
електромагнітних процесів у електричних колах, ланки яких мають велику
кількість незалежних реактивних елементів, поширюється використання
розрахункової системи Matlab разом з пакетом програм Simulink і пакетом
расширения SimPowerSystems, які, крім обширної бібліотеки
електротехнічних елементів і блоків, мають блоки для моделювання
напівпровідникових комутаторів та алгоритмів управління ними.
Таким чином, на основі аналізу наукових публікацій було прийнято
рішення про обрання даного методу, як одного з найбільш перспективних, та
зробити розширений його аналіз в представленій магістерській роботі.
В роботі [31, 33] розвинуто метод багатопараметричних функцій в
частині розробки нової математичної моделі електромагнітних процесів у
електричних колах тиристорних перетворювачів модуляційного типу з
багатоканальним зонним використанням фазних і лінійних напруг трифазної
мережі живлення без урахування втрат електроенергії у комутаторах для
швидкої оцінки впливу параметрів навантаження на характеристики регульованих
синусоїдних і випрямлених напруг.
На рис. 2.7 представлено структуру схеми перетворювача на основі
вентильного комутатора, в якому є силові модулятори (СМ) фазних напруг А,
В і С відповідно (СМ А), (СМ B) і (СМ C), високочастотний випрямляч (ВЧВ)
і навантаження (Н). Сукупність модуляторів СМ А, СМ B і СМ C, підключених
до трифазної мережі електроживлення паралельно і з’єднаних по виходу
послідовно, представляє собою ланку високої частоти напівпровідникового
перетворювача.
65
i1(i,t)
i2 (t)
A
СМ A u2ì (i,t ) ВЧВ
u1(i, t)
B u (t) id (t)d
СМ В u2 (t)
C Н
СМ С
0

Рис. 2.7. Структура схеми
перетворювача на основі вентильного комутатора

На рис. 2.8 показано розширену структуру силових модуляторів, які
можуть мати одну з двох структурних схем. В їх n – електричних колах є
n – інверторів випрямленої напруги (ІВН1 ІВНn) і n – узгоджувальних транс-
форматорів (Т1 – Тn).

i1Ò(1,i,t) i2 (t)
i1(i, t) i1(1,i,t)
Т1
A
u1(i,t)
ІВН1 u1Ì (1,i,t)
0
u2M(1,i,t)
i1Ò(n,i,t)
i (n,i,t) Тn
1
u (i,t) ІВНn
1 u1Ì (n,i,t)
СМ u2M(n,i,t)

Рис. 2.8. Структурна схема силового модулятора

66
Комп'ютерні моделі силових модуляторів розроблялись з
використанням багатопараметричних функцій. Приймались такі припущення:
вхідна багатофазна мережа електроживлення є симетричною та з нульовим
внутрішнім опором (тобта її потужність є нескінченною для всіх можливих
режимів у електричних колах); напівпровідникові комутатори у колах
інверторів напруг є ідеальними силовими вентильними комутаторами (тобто
тривалість комутацій дорівнює нулю, електричний опір включенного вентиля
прямому струму теж дорівнює нулю, а опір вентиля у виключеному стані та
опір зворотному струму дорівнює нескінченності); навантаження має активно-
індуктивний характер.
Розгалужена структура електричних кіл з напівпровідниковими
комутаторами, яка представлена на рис. 2.5, дозволяє реалізувати зонний
спосіб перетворення параметрів електромагнітної енергії трифазної мережі
електроживлення, при якому в силових модуляторах буде здійснюватись
модуляція миттєвих значень попередньо випрямлених фазних синусоїдальних
напруг u1(i,t) частотою 1 відповідними еквівалентними модулюючими
впливами (n,i,t) з частотою 2. В результаті такої модуляції на навантаженні
буде формуватись напруга ud (t )

N
1  3 
ud (t ) = (u1(i,t) В (i,t) (n,i,t) ВЧВ(t)) , (2.1)
2k  
т n=1  i=1 

де i = 1, 2, 3 – номери фаз енергетичної мережі;
kт – коефіцієнт трансформації;

n= 1, 2, 3, , N – номери зон регулювання вихідної напруги;
 В(i,t) та ВЧВ(t) – функції прямокутних сінусыв;
u1(i,t) – миттєві значення вхідної напруги мережі електроживлення;
u2(i,t) – миттеві значення вихідної напруги силових модулів.
67
Струм навантаження можливо розрахувати, як реакцію
одноконтурного RL – ланцюга на дію напруги. Для цього диференціальне
рівняння, складене для вихідного контуру перетворювача, може бути
представлено у вигляді

u(t)R
D(t,y)=d −y0, (2.2)
L L

де: y0 – визначається з початкових умов;
R та L – активний опір та індуктивність навантаження.

Розв’язання рівняння (2.18) відносно струму навантаження можна
визначити чисельними методами розрахувавши матрицю

id(t)=rkfixed(y,0,k,s,D), (2.3)

де y – вектор початкових умов;
0, k – часовий інтервал рішень;
s – кількість точок на часовому інтервалі рішень;
D – вектор функція диференційних рівнянь.

Для розрахунку вхідних струмів i1(n, i, t) інверторів у кожній з n–зон
регулювання врахуємо, що вихідний струм i2 (t) протікає в загальному контурі
всіх силових модуляторів із послідовно з’єднаних вторинних обмоток
узгоджувальних трансформаторів. У загальному виді такий вхідний струм i1(n,
i, t) можна знайти із рівняння

68
i2(t) ВЧВ(t) (i,n,N,t) В(i,t)i1(n,i,t) = . (2.4)
kт

Фазні струми мережі живлення при регулюванні вихідної напруги
знайдемо сумуванням вхідних струмів інверторів всіх зон регулювання в
кожній фазі. Вираз для струмів у кожній з i–х фаз енергетичної мережі можна
представити у вигляді

i1(i,t)=i1(,i,t)+i1(2,i,t)+i1(3,i,t)++i1(n,i,t), (2.5)

де: i1(1,i,t) , i1(2,i,t) , i1(3,i,t) , i1(n,i,t) – вхідні струми інверторів i–х фаз для
першої, другої, третьої та n-ої зони регулювання.

u(i,t),
i (i,t) i (1,t) u(1, t)
1 1

i1(2,t) u(2, t)

i1(3,t) u(3, t)


Рис. 2.9. Діаграми вхідних струмів в i–х фазах мережі живлення
в координатах фазних напруг

69
На рис. 2.9 представлено діаграми вхідних струмів в i–х фазах мережі
живлення в координатах фазних напруг, отримані із рівняння (2.21) при
тризонному регулюванні. Еквівалентні модулюючі функції є безрозмірними,
вони мають одиничну амплітуду і визначають залежність вхідного струму
перетворювача від його вихідного струму.
Дослідження проведені в [71] показують ефективність використання
багатопараметричних модулюючих функцій для моделювання і розрахунку
електромагнітних процесів у розгалужених електричних колах силових
напівпровідникових перетворювачів з багатозонним високочастотним
широтноімпульсним регулюванням їхньої вихідної напруги при живленні RL-
навантаження.
Крім указаних співвідношень і діаграм розроблена в [31] модель
дозволяє аналізувати форми вихідних напруг і струмів окремих силових
модулів. Показано, що в електричних колах перетворювачів з широтно-
імпульсним регулюванням вихідної напруги доцільно використовувати
інвертори для формування проміжної високочастотної напруги.
Багатопараметричні функції треба визначати з дискретними параметрами, які
в алгоритмічних рівняннях аналізу електромагнітних процесів у колах змінної
структури з напівпровідниковими комутаторами відображають її змінення за
підсистемними складовими, Це спрощує моделювання та аналіз
електромагнітних процесів у колах за рахунок узагальнення системи рівнянь
для множин цих складових і елементів при дії зовнішніх факторів.
Використання багатопараметричних модулюючих функцій в
математичних моделях електромагнітних процесів у електричних колах з
напівпровідниковими комутаторами дозволяє формалізовано визначати
струми в колах інверторів та інших напівпровідникових ланок кожного із
силових модулів випрямлених напруг. Також формалізовано можна визначати
алгоритми управління комутаторами в колах силових модуляторів фазних і
70
лінійних напруг трифазної мережі електроживлення, що спрощує підвищення
якості знакопостійних напруг у процесі формування та багатозонного
регулювання вихідних синусоїдних і знакопостійних напруг.
Подальше узагальнення результатів досліджень можливо реалізувати за
рахунок визначення багатопараметричних модулюючих функцій синхронно з
множиною модуляцій напруг, фазами їх високо- та низькочастотних
комутацій і множинами сигналів управління комутаторами. Це спрощує
системний аналіз усталених і перехідних процесів в розгалужених
електричних колах напівпровідникових перетворювачів з високочастотним
широтно-імпульсним регулюванням їх вихідних напруг.
Також роботі [31] з використанням методу багатопараметричних
функцій розроблено математичні моделі для аналізу електромагнітних
процесів у електричних колах силових вентильних перетворювачів з
урахуванням неідеальності їх напівпровідникових комутаторів. Було
встановлено, що при багатозонному регулюванні вихідної напруги
перетворювачів їхні електричні кола є досить розгалуженими. Незважаючи на
це, було розроблено методики для врахувати еквівалентних внутрішніх опорів
кожного із напівпровідникових комутаторів. Необхідність визначення
розгалужених електричних схем заміщення перетворювачів і складання
алгебраїчних рівнянь, складовими частинами яких є низка умовних виразів,
що описують зміну електричного стану напівпровідникових комутаторів, не
призвела до втрати формалізації та ускладнення розрахунку необхідних
електромагнітних процесів.
При широтно-імпульсному регулюванні вихідної напруги
перетворювача силові ключі інверторів напруги, за умов їхнього управління
імпульсами напруги типу «меандр» приймають участь у двох процесах
перетворення енергії, а саме – у споживанні енергії навантаженням (у
провідному стані знаходяться відповідні пари транзисторів інвертора напруги)
71
та розсіянні енергії в контурі навантаження (у провідному стані знаходяться
відповідні пари, що складаються з транзисторів та діодів). Величини напруг на
первинних обмотках узгоджувальних трансформаторів відрізняються від
рівня напруги електроживлення при ідеалізації напівпровідникових
комутаторів на величини падіння напруги на їх внутрішніх опорах.
Проведений у [21] системний аналіз електромагнітних процесів у
електричних колах силового напівпровідникового перетворювача з
багатозонним регулюванням вихідної напруги на електромеханічному
навантаженні – двигуні постійного струму з послідовним збудженням.
Врахувались такі ознаки системного підходу, як цілісність, декомпозиційність
та вплив зовнішніх і внутрішніх факторів. Двигун постійного струму
описувався системою алгебраїчних рівнянь для миттєвих значень струму в
електричному колі якоря та його кутової швидкості з урахуванням пускового
режиму.
Було показано, що аналіз електромагнітних процесів у електричних
колах напівпровідникових перетворювачів доцільно проводити з урахуванням
еквівалентних внутрішніх опорів їх комутаторів. А представлення
еквівалентного внутрішнього опору ланки електричного кола з комутатором
без виділення опорів окремих структур на часових інтервалах їхньої сталості
можна проводити загальним умовним виразом стосовно знакових функцій від
струмів навантаження. Такий підхід не вимагає визначення опорів ключових
елементів на часових інтервалах сталості структур ланок, тому можна
знаходити результат їхнього припасовування у замкненій формі, що спрощує
і прискорює процес отримання кінцевого результату досліджень.
e
З урахуванням падіння напруги на діодах випрямлячів вхідної напруга ud (i,t)
на виході випрямляча кожної i -ї фази перетворювача визначається з виразу

ued(i,t)=u1(i,t)W1(i,t)+u1(i,t)W2(i,t)−2(r1
72
i1(n,i,t)+1)W1(i,t)−2(r1i(n,i,t)+1)W1(i,t), (2.6)

де: W1(i,t) , W2(i,t) – еквівалентні знакові функції вихідної напруги перетворювача,
r1 – внутрішній опір діодів випрямляча,
1- порогове значення напруги діода.

Тоді, з урахуванням рівняння (2.22) вираз, який описує вихідну напругу n -го
інвертора uе
2(n,N ,t) , набуде виду

ue е е
е d (t)м(n,i,t) −uвн(n,i,t)u2(n,i,t) = , (2.7)
kт
ue е
де d (t) м (n,i,t) = u2(n,i,t) – вихідна напруга n -го інвертора, в якій не врахо-
kтр
вано падіння напруги на еквівалентному внутрішньому опорі напівпровідникових
комутаторів інвертора, але враховано падіння напруги на внутрішніх опорах діодів
вхідного випрямляча.

Напруга, яка визначається за рівнянням (2.23), є складовою частиною
вихідної напруги ланки високої частоти силового напівпровідникового
перетворювача, тому

N
е ue (t) е (n,t) −uе (n,t)
u2(n,t) =  d м вн , (2.8)
k
n=1 т

де u
е
2( N,t ) – вихідна напруга ланки високої частоти перетворювача, яка враховує
падіння напруги на внутрішніх опорах комутаторів всієї множини інверторів.
73
Тоді, напругу на навантаженні, що враховує падіння напруги на діодах
високочастотного випрямляча подамо виразом виду

uе
н(n,t) = uе
2(n,t)L1(t) + uе
2(n,t) − 2(r2i2(t) + 2 )L1(t) − 2(r2i2(t) + 2 )L1(t) , (2.9)

де: L1(t), L2(t) – індуктивності вихідної ланки високої частоти,
r2 – внутрішній опір діода високочастотного випрямляча,
Δ2 – порогове значення напруги діода.

Lå å
1(t)=if(u2(N,t)0,1);L2(t)=if(u2(n,t)0,−1,0);L3(t)=L1(t)+L2(t).
(2.10)
Миттєві значення струму навантаження у пусковому режимі двигуна
визначимо з системи алгебраїчних рівнянь із урахуванням внутрішніх опорів
напівпровідникових комутаторів (діодів і транзисторів) перетворювача.
Отримаємо рівняння

 2(ce(t) −  
 e щ )) 2
iн (t ) + − а ieн (t) −
 k a a k 
1 1
 
 2 2 3 
− nek (t)iн (t) − (ieн (t )
k k )
a 
1 a1a3
 ie
 
н (t ) e e
 k+1  
= 4(c (t) −  
щ ))iн (t ) (2.11)
 e k
 ne

(t )  nk (t) + − ,
 k+1   a a 
1 3
 
 2м e 2 2
− nk (t) + (ieн (t) k ) − 
a 
3 a3
 
 2 2 2 
 − (ie (t)) ne м0
н k (t) −
 a1a
k
3 a 
3 

де: iе (t ) , е ( ) , neн i t (t ) і nе (t ) – струм якоря і кутова швидкість обертання
k нk+1 k k+1
74
двигуна постійного струму на k-му та (k+1)-му інтервалах при
врахуванні внутрішніх опорів комутаторів перетворювача;
e uе
н(t) c (t) = – відносне значення напруги на навантаженні при врахуванні
E
внутрішніх опорів комутаторів перетворювача.

На рис. 2.10 наведено діаграми струму у електричному колі якоря двигуна
постійного струму при тризонному регулюванні вихідної напруги силового
напівпровідникового перетворювача з урахуванням падіння напруги на внутрішніх
опорах його комутаторів.

i ен (t)
k
u е
н (t)
i ен (t)
k
u е
н (t)


Рис. 2.10. Діаграми струму у електричному колі якоря двигуна постійного струму при
тризонному регулюванні вихідної напруги

Вихідний струм ie2(t)ланки високої частоти визначено з виразу

ie2(t) = iен (t)L3(t). (2.12)
k

Вхідні струми i1(n,i,t) високочастотного інвертора визначено з
рівняння
75
ie(t) (i,t) (n,i,t)
i1(n,i,t) = 2 В . (2.13)
kт

Загальний вираз для струмів i–х фаз енергетичної мережі подамо у вигляді

ie1 (i,t) = ie1 (1,i,t) + ie1 (2,i,t) + ie1 (3,i,t) + + ie1 (n,i,t), (2.14)

де: ie1 (1,i,t) , i
e e
1(2,i,t), i1(3,i,t) , i
e
1(n,i,t) – вхідні струми i–х фаз інвертора на
інтервалах першої, другої, третьої та n -ї зон регулювання.

iå1 (i,t) u å
1(1,t) i1 (1,t)
u1(i,t) 
u å
1(2,t) i1 (2,t)

u1(3,t) iå1 (3,t)


Рис. 2.11. Діаграми струму у електричних колах i–х фаз напівпровідникових
перетворювачів у координатах фазних напруг мережі електроживлення

На рис. 2.11 наведено діаграми струмів в електричних колах i–х фаз
напівпровідникових перетворювачів у координатах фазних напруг живлячої
мережі.
76
Таким чином, моделювання електромагнітних процесів у колах
силових напівпровідникових перетворювачів можна виконувати поетапно з
різними початковими припущеннями – розглядаючи перетворювачі, як
систему зі структурою, яка визначає внутрішні впливи (зі структурою, що
змінюється), та як надсистему для урахування зовнішніх впливів на
напівпровідникові перетворювачі.
На основі визначення еквівалентних активних опорів
напівпровідникових комутаторів у електричних колах змінної структури
перетворювачів було ураховано вплив енергетичних втрат у комутаторах на
рівень і форму вихідних синусоїдних і знакопостійних напруг перетворювача
при широтно-імпульсній модуляції та багатозонному регулюванні фазних і
лінійних напруг трифазної мережі електроживлення.
В [21] виконано аналіз перехідних процесів у електричних колах
напівпровідникових перетворювачів з широтно-імпульсним регулюванням
напруги заряду ємнісних накопичувачів електророзрядних систем. Розроблено
математичні моделі електромагнітних процесів у колах перетворювачів для
технологічних установок електроімпульсної обробки матеріалів. Аналіз
проводився при припущенні, що найбільш важливим є зменшення
нестабільності параметрів розрядних імпульсів. Дослідження показали, що
використання методу багатопараметричних модулюючих функцій та пакету
прикладних програм Mathcad у електричних колах змінної структури з
напівпровідниковими комутаторами є найбільш доцільним при наявності в
ланках кіл не більше трьох незалежних реактивних елементів. При більшій
кількості незалежних реактивних елементів у розгалужених колах краще
використовувати пакет програм Mathlab разом з пакетом програм Simulink.
Виявлено, що нестабільність параметрів формувачів розрядних імпульсів
збільшується при зростанні частоти розрядних імпульсів, що ускладнює
задачу стабілізації вихідної формувачів розрядних імпульсів. Відомо, що в
77
деяких випадках для вирішення такої задачі можливо змінювати початкову
напругу конденсатора при його розряді. В даній роботі було показано, що
регулювання можливо здійснювати шляхом зменшення пауз між включенням
перезарядного та зарядного тиристорів формувачів розрядних імпульсів.
Представлена математична модель [29] для аналізу перехідних процесів у
колах накопичувальних конденсаторів тиристорних формувачів
електророзрядних імпульсів з узгодженням енергетичних і динамічних режимів
заряду конденсаторів при зменшенні електричного опору технологічного
навантаження у декілька разів. Визначено, що нестабільність вихідної напруги
формувачів зменшується при збільшення частоти їх живлення і регулюванні
тривалості окремих циклів зарядних-розрядних імпульсів.
На основі аналізу перехідних процесів у колах накопичувальних
конденсаторів тиристорних формувачів високочастотних електророзрядних
імпульсів розроблено технічні рекомендації з реалізації енергоефективних
режимів у системах електроіскрової обробтки шару металевих гранул у
раізних диелектричних рідинах. Крім того в [29], використовуючи розроблені
математичні моделі було створено інженерні методики розрахунку усталених
і перехідних процесів у розгалужених електричних колах напівпровідникових
перетворювачів з високочастотним широтно-імпульсним регулюванням їх
вихідних напруг. Методики використано при розробці електричних схем
тиристорних перетворювачів з високочастотним широтно-імпульсним
регулюванням вихідної напруги для електромеханічних і технологічних
навантажень. Зокрема, було обґрунтовано енергоефективні схемо-технічні
рішення для підвищення швидкості регулювання та зменшення нестабільності
вихідних напруг перетворювачів при зміненні характеристик навантаження.

78
Висновки до розділу 2
1. Здійснено ретроспективний аналіз застосування силових вентильних
перетворювачів для вирішення задач стосовно покращення показників якості
електричної енергії на промислових підприємствах та розподільчих мережах.
Показано, що у зв'язку зі зростаючим ступенем складності електротехнічних
пристроїв та установок величезне значення матиме і якнайшвидше
впровадження інформаційних і комп'ютерних технологій у проектування,
конструювання, виробництво і експлуатацію електроустановок.
2. Детально розглянуті питання класифікації та функціонального
складу вентильних комутаторів. Визначено та обґрунтовано пріоритетні
підходи до моделювання електричних схем з вентильними комутаторами.
3. Розглянуто та здійснено аналіз особливостей математичних моделей
вентильних комутаторів.

79
РОЗДІЛ 3
РОЗРОБКА УДОСКОНАЛЕНОГО ФІЛЬТРОКОМПЕНСУЮЧОГО
ПРИСТРОЮ ДЛЯ ПОКРАЩЕННЯ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ

3.1 Основні негативні процеси супутні вищим гармонікам в
електричних мережах промислових підприємств та розподільчих мереж
Наступним кроком розглянемо основні елементи системи
електропостачання промислового підприємства з точки зору їх чутливості до
вищих гармонік. Основними формами впливу вищих гармонійних складових
струму і напруги на елементи системи електропостачання є [28]: збільшення
струмів і гармонійних напруг за рахунок резонансу; зниження ефективності
генерації, передачі та використання електроенергії через додаткові втрати;
прискорене старіння електроізоляції; помилкове спрацьовування пристроїв
релейного захисту та автоматики.
Далі розглянемо вплив вищих гармонік на коректність функціонування
обертових машин. Більш високі гармоніки в електродвигунах призводять до
додаткових втрат в обмотках статора, в ланцюгах ротора, в роторі і сталі
статора. Ці втрати є найбільш значним проявом в обертових електричних
машинах і призводять до підвищення загальної температури машини, а також
до локального перегріву.
Крім втрат на нагрівання, гармоніки вищих порядків створюють
додаткові крутні моменти, протилежні основному крутному моменту, але
оскільки величина ковзання для струмів всіх гармонік практично однакова, то
відносні моменти дуже малі, і вони частково компенсуються різними
напрямками. Тому їх вплив на головний момент незначний. Але з іншого боку
вони можуть привести до значної вібрації валу електричної машини.
Здійснюють вплив вищі гармоніки й на роботу силових
трансформаторів. Більш високі гармонійні складові струму і напруги
80
викликають збільшення втрат на гістерезис в трансформаторах, а також втрат,
пов'язаних з вихровими струмами в сталі і втратами в обмотках
трансформаторів. Крім того, скорочується термін служби ізоляції [28].
Також вищі гармоніки негативно впливають на роботу розподільчих
мереж. Так, гармоніки струму і напруги в лініях електропередач призводять до
додаткових втрат потужності. У випадку з кабельними лініями вищі гармоніки
діють на діелектрик. Це, в свою чергу, збільшує кількість пошкоджень
кабельних ліній. У повітряних лініях гармоніки можуть викликати збільшення
коронних втрат з тієї ж причини [28].
Негативний вплив здійснюють гармоніки й на конденсаторні установки.
В даний час конденсаторні установки широко використовуються в системах
електропостачання для компенсації реактивної потужності, тому вплив вищих
гармонік необхідно враховувати як при проектуванні, так і при експлуатації
всього електрообладнання. Якщо гармоніки перевищують гранично допустимі
рівні для конденсаторів, конденсатори не погіршують свої експлуатаційні
характеристики, але через певний час можуть вийти з ладу через нагрівання,
викликаного додатковими втратами. Також, як показано в [27] наявність
вищих гармонік навіть в допустимих межах призводить до значного
прискорення процесу старіння конденсаторного діелектрика, тобто до
скорочення терміну їх служби.
Останнім часом також особлива увага приділяється негативному впливу
вищих гармонік на облік та контроль електроенергії. Клас точності
лічильників електроенергії, гарантований виробником, визначається при
нормальних умовах, тобто при чисто синусоїдальному струмі і напрузі, а
також інших параметрах. Але на практиці лічильники експлуатуються в
умовах, відмінних від номінальних, тому поряд з основним виникає додаткова
похибка, в тому числі і від вищих гармонік. В результаті лічильники
електроенергії дають підвищену похибку обліку при несинусоїдальних
81
струмах і напругах. Дослідження, представлені [27, 28] показують, що
індукційні лічильники під впливом вищих гармонік мають похибку зі
зміщенням в мінус, тобто занижують електроенергію на користь споживачів.
Багато дослідників займаються вивченням питання похибки
електронних лічильників із-за впливу на них низької якості електроенергії
[39]. У цих роботах показано, що сумарна гранична похибка електронних
лічильників від вищих гармонік і субгармонік може досягати двох-
трикратного збільшення в порівнянні з основною похибкою лічильника.
Таким чином, на підставі вищенаведених фактів випливає, що необхідно
всебічно обмежити рівень вищих гармонійних складових струму і напруги на
основних елементах системи електропостачання промислового підприємства
та в розподільчих мережах.

3.2 Огляд основних типів активних та пасивних
фільтрокомпенсуючих пристроїв та використання їх для покращення
якості електроенергії
В теперішній час даний час для зниження рівня гармонік в системах
електропостачання використовуються такі технічні засоби: лінійні дроселі;
розділові трансформатори; магнітні синтезатори; пасивні фільтри; гібридні
фільтри; статичні компенсатори; активні фільтри.
Найпростішим і, як наслідок, найпоширенішим технічним засобом
зниження рівня гармонік є пасивний фільтр. Він ефективний при невеликій
кількості ізольованих гармонійних складових струму та напруги і досить
постійному споживанні електроенергії, але при збільшенні числа гармонік
його застосування виявляється ускладненим, а ще й економічно невигідним. У
цьому випадку на перший план виходять активні фільтри, так як вони мають
ряд переваг [40]: компенсація гармонік у реальному часі; можливість
компенсації вищих гармонійних складових струму і напруги незалежно від
82
амплітуд і початкових фаз гармонік; можливість регулювання якості
потужності в перехідних режимах за рахунок різко чергуються навантажень;
відсутність додаткових налаштувань фільтра тощо.
Сучасний стан справ в розвитку силової електроніки, такої як тиристори
GTO-тиристорів та IGBT-транзисторів, визначив елементну базу, яка може
служити основою для розробки активних фільтрів низької частоти для
придушення вищих гармонік напруги та струму.
Принцип роботи активного фільтра заснований на аналізі гармонік
нелінійного струму навантаження і генерації в мережу таких же гармонік
струму, але з протилежною фазою. В результаті вищі гармонійні складові
струму компенсуються в точці підключення активного фільтра і не
поширюються від нелінійного навантаження в мережу. Cтрум нелінійного
навантаження містить основну i1 і вищі in гармоніки

iN = i1 + in . (3.1)
n2

Струм активного фільтра iАФ містить ті ж гармоніки, що і навантаження,
але в протифазі

iАФ = −in . (3.2)
n2

В підсумку, струм споживаний від джерела iСП, має практично
синусоїдальну форму, оскільки містить тільки основну гармоніку

i = i + i = i . (3.3)
СП N АФ 1

83
Отже, джерело живлення забезпечує тільки основну гармоніку струму
навантаження, а активний фільтр здійснює компенсацію практично усього
спектру вищих гармонік. Так, дослідження [28], показують, що величина
струму вищих гармонік зменшується приблизно на 90%, що є цілком
прийнятним результатом з практичної точки зору.
Також, якщо струми гармонік, що генеруються навантаженням,
перевищують максимальні номінальні струми активного фільтра, активний
фільтр автоматично обмежує власний струм компенсації до максимально
допустимого граничного рівня. Тому в таких режимах активний фільтр може
функціонувати практично скільки завгодно тривалий час без пошкоджень.
Ідея активної фільтрації розглядається в працях не тільки зарубіжних, а
й Українських дослідників [21, 23, 36]. Здійснений огляд та аналіз цих робіт
показує, що активна фільтрація є новим і перспективним напрямком у
розвитку напівпровідникової перетворювальної техніки.
Широке застосування активних фільтрів на основі вентильних
комутаторів в якості пристроїв для корекції кривих струму і напруги в
мережах промислових підприємств та розподільчих мережах є важливим
фактором забезпечення енергозбереження і дозволяє забезпечити надійне і
економічне електропостачання [39]. В роботі [39] розглянуті топології
активних фільтрів, а також алгоритми управління послідовним активним
фільтром і паралельним на основі прогнозування гармонік.
Основні типи потужних активних фільтрів і аналіз їх роботи
представлені в [39]. Розглянуто багаторівневі, багатоциклові та каскадні
напівпровідникові перетворювачі на вентильних комутаторах. В цій статті
також описані деякі основні напрямки в розробці фільтрів, в яких здійснюється
два або один раз перетворення енергії.
Широкий спектр функціональних властивостей активного фільтра
дозволяє використовувати його не тільки для зниження рівня гармонік, але і
84
для економії електроенергії [36]. У даній роботі замість силового
напівпровідникового перетворювача електроприводу змінного струму
використовується активний фільтр, що дозволяє здійснювати двосторонній
обмін енергією з живильною мережею, а також майже синусоїдальний струм,
що забирається з мережі.
Розробка потужних активних фільтрів, а також вивчення їх властивостей
і режимів роботи зараз ведеться в багатьох країнах світу.
Отже, якщо вплив вищих гармонік на основні елементи системи
електропостачання не обмежувати, то тоді це може призвести до різних
негативних наслідків. Такими наслідками можуть бути не тільки додаткові
втрати електроенергії, але і матеріальні збитки в результаті виходу з ладу
дорогого обладнання, дефектів виробів тощо. Вважається, що найбільш
перспективним інструментом є фільтр активних гармонік. Завдяки своїм
перевагам він все частіше використовується в системах електропостачання
промислових підприємств та розподільчих мереж, а робота над подальшим
його удосконаленням бачиться актуальною на сьогодні та перспективною на
майбутнє.

3.3 Розробка структури удосконаленого активного фільтра на основі
вентильних комутаторів
Одним із напрямів удосконалення фільтра вищих гармонік напруги чи
струму може бути поєднання в одному пристрої активної вентильної
структури та елементів пасивного LC фільтра. При цьому особливої уваги
потребує оптимізація системи керування вентильною групою такого фільтра.
В концепції, що пропонується, можна виділити поєднання наступних переваг
пасивних і активних структур: зниження встановленої потужності силової
частини активного фільтра, і, як наслідок, зниження масогабаритної частини і
вартості фільтра в цілому; підвищення ступеня компенсації рівня вищих
85
гармонік з урахуванням вимог ДСТУ в порівнянні з одиничним пасивним
фільтрокомпенсуючим пристроєм при зміні режимів роботи нелінійного
навантаження; зниження ймовірності виникнення резонансних явищ в
компенсованій мережі в порівнянні з одиничними пасивними
фільтрокомпенсуючими пристроями [39]; адаптивність структури
удосконаленого фільтра шляхом включення або відключення активної і
пасивної частин для забезпечення заданого ступеня компенсації вищих
гармонік в залежності від зміни характеристик нелінійного навантаження та
живлячої мережі; удосконалені фільтри можуть використовуватися в системах
електропостачання з уже встановленими традиційними пасивними
фільтрокомпенсуючими пристроями при додатковому регулюванні
параметрів удосконаленого фільтра.
Компенсувати вищі гармонічні складові струму чи напруги можна за
допомогою удосконаленого фільтра можна двома способами: 1 − компенсація
вищих гармонік керованим джерелом струму з використанням паралельного
активного фільтра. При цьому струм вищих гармонік придушується в місці
підключення паралельним активним фільтром. Дане рішення не впливає на
характер споживання нелінійного навантаження струму вищих гармонік, а
також на наявність напруги вищих гармонічних складових на стороні
попередньо компенсованої мережі (паралельна компенсація); 2 − компенсація
вищих гармонічних складових керованим джерелом напруги за рахунок
використання послідовного активного фільтра, такий спосіб не впливає на
характер споживання вищих гармонічних складових нелінійним
навантаженням (послідовна компенсація).
Відповідно до різних теорій і розширенням методів і способів активної
фільтрації вищих гармонічних складових з'являється можливість управляти
параметрами пасивної частини удосконаленого фільтра, що розробляється.
Доцільність використання таких удосконалений фільтрів стає можливою по
86
ряду причин: 1− використання окремих активних фільтрокомпенсуючих
пристроїв з номінальними параметрами вентильних елементів, розрахованих
на повну потужність нелінійного навантаження, призводить до відчутного
подорожчання такого рішення; 2 − пасивні фільтрокомпенсуючі пристрої
мають обмежену здатність компенсувати більш високі гармоніки струму і
напруги.
Тому, за результатами проведених досліджень було визначено дві
основні перспективні структури на основі паралельного та послідовного
активного фільтра на базі вентильних комутаторів для використання в умовах
промислового підприємства та в розподільчих мережах, вони зображені на
рис. 3.1; рис. 3.2 відповідно.
Також була розглянута можливість застосування комбінованого
активного фільтра на основі вентильних комутаторів представлених на рис. 3.1
і рис. 3.2., структурна схема такого варіанту представлена на рис. 3.3.
Результати теоретичних (з проаналізованих літературних джерел) та
проведених експериментальних досліджень за допомогою імітаційного
моделювання показали, що для придушення високочастотних складових у
спектрі вихідного струму паралельного активного фільтру на основі
вентильних комутаторів, що працюють у режимі керованого джерела
компенсуючого струму, необхідно встановлювати RC-фільтри. Таким чином,
представляється доцільним рекомендувати для практичного впровадження
фільтрокомпенсуючий пристрій, що складається з паралельного активного
фільтра, на виході якого підключений RC- фільтр і смуговий фільтр, обидва
з яких налаштовані на придушення типових вищих гармонічних складових.

87

а)

б)

Рис. 3.1. Структурна схема удосконаленого паралельного активного фільтра на
вентильних комутаторах:
а) послідовний активний фільтр та паралельний пасивний ланцюг;
б) схема заміщення на частоті n-ї гармонічної складової

88

а)

б)

Рисунок 3.2. Структурна схема удосконаленого паралельного активного фільтра на
вентильних комутаторах:
а) паралельний активний фільтр та вихідний паралельний пасивний ланцюг;
б) паралельний активний фільтр та вхідний пасивний ланцюг

89

Рисунок 3.3. Структурна схема комбінованого удосконаленого паралельного
активного фільтра на вентильних комутаторах

За результатами проведеного імітаційного моделювання виявлено
наступні залежності рівня ефективності корекції показників якості
електроенергії від варіацій конфігурацій смугових фільтрів на виході на виході
активного фільтра на вентильних комутаторах, способу з'єднання активної та
пасивної частини схеми, режиму роботи силових вимикачів змінного струму,
способу підключення до компенсованої мережі та діапазонів варіації
параметрів активної частини, а саме: наявність смугового фільтра на виході
паралельного активного фільтра дозволяє підвищити їх ККД при підвищенні
якості електроенергії більш ніж в 2 рази в плані зниження напруги вищих
гармонічних складових в умовах централізованого і автономного
електропостачання; визначено діапазон, в якому має знаходитися значення
імпедансу смугового фільтра на виході паралельного активного фільтру для
підтримання заданого рівня ефективності підвищення якості електроенергії;
визначено конфігурації смугового фільтра на виході паралельного активного
фільтру, що забезпечують максимальний рівень ефективності підвищення
якості електроенергії для окремих показників якості; виявлено діапазони
варіації параметрів паралельного активного фільтру та послідовного
активного фільтру, що дозволяють підтримувати заданий рівень ефективності
90
підвищення якості електроенергії; структурний склад фільтрокомпенсуючого
пристрою на основі смугового фільтру, налаштовані на придушення
традиційних вищих гармонічних складових, повинен змінюватися залежно від
набору виправлених показників якості електроенергії, заданих рівнів
залишкових значень показників якості та режиму електропостачання:
автономний, централізований чи комбінований.
Були проведені досліди в моделюючому середовищі Simulink системи
MATLAB. Імітаційна модель фільтрокомпенсуючого пристрою на основі
паралельного активного фільтра на вентильних комутаторах представлена на
рис. 3.4. Розроблений компенсаторний активний фільтр забезпечує
компенсацію вищих гармонічних складових, компенсацію реактивної
потужності, що в підсумку дозволяє наблизити величину коефіцієнта
потужності на частоті першої гармоніки (частоти мережі змінного струму) до
одиниці.

91

Рис. 3.4. Імітаційна модель фільтрокомпенсуючого пристрою заснованого на
паралельному активному фільтрі з використанням вентильних комутаторів
92

Результати моделювання представлені на рис. 3.5.

Рисунок 3.5. Залежність впливу завантаження трансформатора на коефіцієнт
потужності kм, коефіцієнт гармонічних спотворень струму ki, коефіцієнт гармонічних
спотворень напруги ku.

За результатами моделювання були отримані міри зниження
коефіцієнтів, які характеризують наявність вищих гармонічних складових в
мережі промислового підприємства чи розподільчої мережі з використанням
фільтрокомпенсуючого пристрою на основі вентильних комутаторів і без
останніх.
Таким чином, виявлена можливість фільтрокомпенсуючого пристрою на
основі активного фільтра реалізувати декілька функцій, а саме: компенсація
вищих гармонічних складових струму, компенсація вищих гармонічних
складових напруги, корекція коефіцієнту потужності напруги.
За результатами моделювання встановлено, що фільтрокомпенсуючий
93
пристрій на основі вентильних комутаторів з послідовною активною частиною
здатний створювати прибудову напруги для нормалізації рівня напруги мережі
у разі її відхилення внаслідок підключення навантаження в умовах довгих
ліній електропередачі.
Крім того, фільтрокомпенсуючий пристрій на основі послідовного
активного фільтра здатні пригнічувати напругу вищих гармонічних складових
одночасно з компенсацією перепадів напруги, що також підтверджує
універсальність такого пристрою в контексті покращення показників якості
електричної енергії. При цьому рівень гармонік напруги знижується на
близько 80 %.
При комбінованому застосуванні пристроїв компенсації на базі
паралельних активних фільтрів і послідовних активних фільтрів формуються
складні електричні установки та комплекси для автоматизованого впливу на
показники якості електричної енергії.

Висновки до розділу 3
1. Розроблено структуру гібридного електричного комплексу на основі
паралельного активного фільтра, ланка постійного струму якого поєднана з
нелінійним перетворювачем частоти навантаження, яка відрізняється
наявністю RC- пасивного фільтра, встановленого на виході активної частини,
і який дозволяє надійно та безвідмовно забезпечувати безперебійне живлення
нелінійного навантаження у разі виходу з ладу випрямляча або коротких
замикань на його вході.
2. Встановлено, що гібридний фільтрокомпенсуючий пристрій на основі
паралельного активного фільтра з вихідним пасивним фільтром і загальною
ланкою постійного струму з нелінійним навантаженням дозволяє забезпечити
максимальний ступінь зниження вищих гармонік струму і напруги до п’яти
разів, при відношенні потужності нелінійного навантаження до потужності
живильного трансформатора до 80%.
94
3. За допомогою імітаційного моделювання виявлено залежності
ступеня зміни якості електроенергії за рівнем вищих гармонік напруги та
струму, відхилення напруги та коефіцієнта потужності від структури
гібридних фільтрокомпенсуючих пристроїв на основі паралельних та
послідовно активних фільтрів з урахуванням параметрів живильної мережі та
підключеного нелінійного навантаження. Зокрема, встановлено, що гібридний
фільтр-компенсуючий пристрій на основі паралельного активного фільтра
може знижувати рівень більш високих гармонік струму і напруги більш ніж на
70% відповідно, а на основі послідовного активного фільтра − знижувати
рівень гармонік більш високої напруги більш ніж на 80%.

95
ВИСНОВКИ

В магістерській роботі здійснений всебічний аналіз впливу вентильних
комутаторів на показники якості електричної енергії на промислових
підприємствах та розподільчих мережах.
Основні результати магістерської роботи полягають у наступному.
1. Станом на сьогоднішній день, напрямок розвитку електроенергетики
України у сенсі визначення якості електричної енергії, повинен бути
доповнений вимогами по забезпеченню показників якості електроенергії
відповідно до вимог та стандартів Європейського Союзу.
2. Визначення поняття «якість електроенергії» має принципове
значення для підвищення якості електроенергії у системах електропостачання
промислових підприємств, а також для розробки раціональної системи
керування якістю.
3. Проведено детальний аналіз літературних та інтернет джерел з
питання якості електроенергії, що дозволив виявити основні причини та
негативні впливи дії вищих гармонічних складових в струмі чи напрузі при
нелінійних навантаженнях;
4. Проаналізовано традиційні методи покращення показників якості
електроенергії, які мають багато недоліків і часто знаходять застосування в
певних вузьких областях.
5. Показано та обґрунтовано, що застосування активних фільтрів
вищих гармонічних складових на основі вентильних комутаторів є
ефективним способом значного покращення синусоїдальності форми струму
чи напруги у випадку нелінійного навантаження.
6. Виявлено допустимі діапазони варіації параметрів активних
перетворювачів у межах фільтрокомпенсуючих пристроїв, що забезпечують
збереження заданого рівня підвищення якості електроенергії. Встановлено, що
зниження номінальних параметрів паралельного активного перетворювача в
96
2-4 рази, а послідовного активного перетворювача на 25-50% від початкових
значень дає можливість підтримувати необхідний рівень підвищення якості
електроенергії. Ці діапазони дозволяють також оцінити ступінь значущості
окремих параметрів при оцінці допустимості їх зниження при мінімізації
масогабаритних показників перетворювачів у складі фільтрокомпенсуючих
пристроїв.
7. Отримані результати імітаційного моделювання дали змогу
встановити закономірності, що відображають ступінь впливу конфігурації
фільтрокомпенсуючих пристроїв з активними перетворювачами на рівень
поліпшення якості електроенергії. Це дає можливість визначити раціональне
співвідношення параметрів активної і пасивної частин за критерієм
максимального зниження характеристик активної частини як найбільш
дорогої при збереженні необхідного рівня ККД в заданих умовах. Виявлено,
що включення пасивних фільтрів на виході перетворювачів забезпечує
багатофункціональність останніх з точки зору набору скоригованих
показників, включаючи несинусоїдальність і несиметрію струму і напруги.
Зокрема, знижується рівень більш високих гармонік струму і напруги на 70-
80% і 11-13% відповідно, відхилення напруги зменшується на 2-5%, рівень
споживання струму знижується на 5-6%, ступінь несиметрії струму і напруги
знижується на 60-90% при використанні фільтра-компенсуючого пристрою на
основі паралельного активного перетворювача. Показано, що в умовах
розподіленої генерації використання пасивних фільтрів з активними
перетворювачами в рамках уніфікованих багатофункціональних електричних
комплексів підвищує ефективність підвищення якості електроенергії більш
ніж у 2 рази.

97
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. М акаренко М. П. Системний аналіз електромагнітних процесів у
напівпровідникових перетворювачах електроенергії модуляційного
типу / Макаренко М. П., Сенько В. І., Юрченко М. М. – К.: НАН
України, ІЕД, 2005. – 241 с.
2. Р ибалко М. П. Теоретичні основи електротехніки: Лінійні електричні
кола: Підручник / Рибалко М. П, Есауленко В. О., Костенко В. І. –
Донецьк: Новий світ, 2003. – 513 с.
3. М оделювання силових вентильних перетворювачів. Наук. Тр. Волков
І. В. та ін.] – К.: Інститут електродинаміки АН УРСР, 1989. 201 с.
4. Л ипковський К. А. Трансформатор – ключові виконавчі структури
перетворювачів змінної напруги / Липковський К. А. – К.: Наукова
думка, 1983. – 216 с.
5. П авлов В. Б., Шидловський А. К., Скіданов В. М., Ричков В. А.
Напівпровідникові перетворювачі автономного електроприводу
постійного струму / [Павлов В. Б., Шидловський А. К., Скіданов В. М.,
Ричков В. А.] – Київ, Видавництво «Наукова думка», 1987. – 284 с.
6. « Кодекс системи розподілу», постанова НКРЕКП від 14.03.2018 № 310,
Режим доступу до ресурсу:
https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/v0310874-18.
7. М акаренко М. П. Системний аналіз електромагнітних процесів у
напівпровідникових перетворювачах електроенергії модуляційного
типу / Макаренко М. П., Сенько В. І., Юрченко М. М. – К.: Ін–т
електродинаміки НАН України, 2005. – 241 с.
8. G yugyi L. Static Power Frequency Changers / L. Gyugyi, B. R. Pelly– New
York, NY: Wiley. – 1976. – 442 p.
98
9. П еретворювальна техніка: Підручник. Ч. 1 / [Гончаров Ю.П.,
Будьонний О.В., Морозов В. Г. та ін.]; за ред. В.С. Руденка. – Харків:
Фоліо, 1998. – 340 с.
10. Т онкаль В. Є. Синтез інверторів типу автономної модуляції / Тонкаль
В. Є. – К.: Наук. Думка, 1979. 207 с.
11. Т онкаль В. Е. Багатофазні автономні інвертори напруги з покращеними
характеристиками / Тонкаль В. Е., Гречко Е.Н., Бухінский Н.І. – К.:
Наук. думка, 1980. – 182 с.
12. П ентегов І. В. Основи теорії зарядних ланцюгів ємнісних
накопичувачів енергії / Пентегов І. В. – К.: Наук. Думка, 1982. 424 с.
13. В екслер Г. С. Електропостачання спецапаратури / Векслер Г. С. – К.:
Вища школа, 1975. – 376 с.
14. Щ ерба А. А. Принципи побудови та стабілізації параметрів
напівпровідникових електроімпульсних систем електроіскрової
дисперсії шару струмопровідних матеріалів / Щерба А. А. //
Стабілізація параметрів електричної енергії. – К.: СВП АН України,
1991. – з. 12–30.
15. М акаренко Н. П., Абарка Г., Небрат Є. В. Екологічні проблеми
вторинних систем електропостачання промислових підприємств / Н. П.
Макаренко, Г. Абарка, Е. В. Небрат // Віснік Убенц. – 1999. – No5. Р.
7–12.
16. Р уденко В.С. Перетворювальна техніка/ Руденко В. С., Сенько В. І.,
Чиженко І. М. – К.: Віща шк., 1983. – 431 с.
17. G yugyi L. Static Power Frequency Changers / L. Gyugyi, B. R. Pelly – New
York, NY: Wiley. – 1976. – 442 p.
18. П еретворювальна техніка: Підручник. Ч. 2 / [Гончаров Ю. П.,
Будьонний О. В., Морозов В. Г.]; за ред. В. С. Руденка. – Харків: Фоліо,
2000. – 360 с.
99
19. Т онкаль В. Е. Синтез автономних інверторів модуляційного типу /
Тонкаль В. Е. – К.: Наук. думка, 1979. – 207 с.
20. С ушко В. А., Балаковський Л. А. Регульований інвертор з поліпшеною
формою вихідної напруги / Сушко В. А., Балаковський Л. А. //
Оптимізація перетворювачів електромагнітної енергії. – К.: Наукова
думка. – 1976. – С. 128–133.
21. К алініченко А. П., Макаренко Н. П., Святненко В. А., Сенько В. І.
Перетворення параметрів електричної енергії в енергетичних і
технологічних установках. – Київ: Інститут електродинаміки АН
УРСР. – 1991 р. – С. 11–16.
22. К алініченко А.П., Лебеденко С. А., Макаренко Н. П., Сенько В. І. Нові
способи ШІМ для трифазних автономних інверторам. – К.: Інститут
автоматики. – 1991. С. 27–35.
23. С енько В.І., Макаренко Н.П., Лебеденко С.А., Калініченко А.П.
Цифрова система управління AIN з широким діапазоном регулювання
технологічної частоти / В.І. Сенько, Н.П. Макаренко, С.А. Лебеденко,
А.П. Калініченко // Техніческіе средства і стеми управління
технологічними процесами. – К.: Інститут автоматики. – 1991. – С. 36–
41.
24. С енько В. І., Макаренко Н. П., Калініченко А. П. Цифрова система
управління автономним інвертором для частотно-регульованого
електроприводу] / В. І. Сенько, Н. П. Макаренко, А. П. Калініченко //
Інформаційно-вимірювальні прилади і системи прокатних станів. – К.:
Інститут автоматики. – 1991. – С. 119–125.
25. S inha G. A four level inverter based drive with a passive front end / G. Sinha,
T.A. Lipo // Proc. IEEE–PESC99 Conf. – 1999. – P.590–595.
100
26. S hakweh Y. Assessment of medium voltage PWM VSI topologies for multi–
megawatt variable speed drives applications / Y. Shakweh, E. A. Lewis //
Proc. IEEE–PESC99 Conf. – 1999. – P.590–595.
27. М акаренко Н. П., Святненко В. А., Сенько В. І., Трубіцин К. В.
Перетворювальний пристрій з гнучким переналаштуанням вихідної
потужності / Н. П. Макаренко, В. А. Святненко, В. І. Сенько, К. В.
Трубіцин // Труди 4 наук.–техн. зустрічі. «Проблеми електромагнітної
сумісності силових напівпровідникових перетворювачів». Таллінн:
Видавництво Естонської академії наук. – 1990. – С. 50–51.
28. В . І. Сенько, Н. П. Макаренко, В. С. Смирнов, Л. І. Сенько. Науково-
техн. зустрічі. «Проблеми електромагнітної сумісності силових
напівпровідникових перетворювачів» – Таллін – 1986. – Ч. 1.– С. 145–
146.
29. С аркісов Г. А., Майєр А. Б., Саксьонов А. В. Стабілізаційний інвертор
з оптимальним коефіцієнтом гармонік / Г.А. Саркісов, А. Б. Майєр, А.
В. Саксьонов // Труди Всесоюзн. Науковий. Технологія. Конф.
«Сучасні проблеми конвертерної техніки». – К.: СВП. – 1975. – Частина
1.– С. 126–135.
30. К улик В. Д., Юрченко Н. М. Тиристорні інвертори резонансного типу
з широтним регулюванням напруги. – Київ: наук. Думка, 1990. 200 с.
31. P ena R. A doubly–fed induction generator using back–to– back PWM
converters supplying an isolated load from a variable speed wind turbine /
Pena R., Clare J. C., Asher G. M. // Proc. IEE. – 1996. – Part B, Vol. 143,
№ 5. – P. 380–387.
32. H olmer L. Analysis, design and implementation of the space–vector
modular for forced–commutated cycloconverters / L. Holmer, D. Borojevic
// IEE Proceedings–B. – 1992, – Vol. 139, №2. – P.103–113.
101
33. H olmer L. Space–vector modulated three–phase matrix converters with
input power factor correction / L. Holmer, D. Borojevic // IEEE Transactions
on Industry Applications. – 1995. – Vol. 31, № 6. – P.1234–1246.
34. S hidlovsky A. Three–phase rectifier with forced sinusoidal input current for
electrotechnological installations / A. Shidlovsky, N. Komarov, G.
Moskalenko, P. Bojko // 5th International Conference Electrical Power
Quality and Utilisation. – Cracow, Poland, 1996. – P.443–452.
35. R oy G. Cycloconverter operation under a new scalar control algorithm /
G. Roy, G. E. April // Proceedings of IEEE PESC’89. – 1989. – P. 368–375.
36. V enturini M. A new sine wave in sine wave out conversion technique which
eliminates reactive elements / M. Venturini // Proceedings of Powercon 7. –
San Diego, CA (USA). – 1980. – P.E3–1 – E3–15.
37. М ихайленко В. В. Дослідження електромагнітних процесів у напівпровідникових
перетворювачів напруги за умов багатократного широтно–імпульсного
регулювання / В. В. Михайленко, М. О. Мусієнко, М. А. Хітько // Доповіді за матер.
МНТК "Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики". – К.: Політехніка.
– 2012. – С. 599–601.
38. М ихайленко В. В. Математична модель напівпровідникового
перетворювача трифазної напруги у постійну з чотиризонним
регулюванням вихідної напруги / В. В. Михайленко, В. Р. Безязиченко, Я.
В. Романчук, Д. М. Хомутенко // Доповіді за матер. МНТК "Сучасні
проблеми електроенерготехніки та автоматики". – К.: Політехніка. –
2012. – С. 594–596.
39. М ихальський В. М. Адаптація алгоритму векторної широтно-
імпульсної модуляції в матричних перетворювачах В. М. Адаптація
алгоритму векторної широтно-імпульсної модуляції в матричних
перетворювачах до умов несиметричної енергетичної мережі. М.
102
Михальський, Е. М. Чехет, В. Н. Соболєв // Техн. Електрика. Силова
електроніка та енергетика.– 2002.– Ч. 1.– С. 9–18.
40. Ю рченко Н. М., Юрченко О. М. Системи електропостачання бортових
технологічних установок. Київ : Інститут електродинаміки НАН України, 2001. –
143 с.
41. В ерлань А. Ф., Москалюк С. С. Математичне моделювання
неперервних динамічних систем. Під редакцією Пухова Г. Є. АН СРСР.
Інститут проблем моделювання в енергетиці. – Київ: наук. Думка, 1988.
– 288 с. (російською мовою).
42. П ерхач В. С. Теоретична електротехніка: Лінійні кола: Підручник /
Перхач В. С. – К.: Вища шк., 1992. – 439 с.
43. M atlab Documentation. Режим доступу до ресурсу:
http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/helpdesk.html.
44. Н ікітін І.В. Особливості застосування вентильних комутаторів в одно-
та багатофазних електричних колах електроенергетичних систем /
І. В. Нікітін, К.М. Ключка // Збірник тез (за матеріалами 38-ї
Міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні аспекти
модернізації науки: стан, проблеми, тенденції розвитку», 07 листопада
2923 року), м. Брно (Чехія). 07 листопада 2023. – С. 400-404.
45. М етодичні рекомендації до підготовки магістерської роботи бакалавра
для здобувачів освітнього ступеня магістр спеціальності 141
«Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» усіх форм
навчання [Електронний ресурс] / [Упоряд.: Ситник О.О., Яценко І.В.,
Самойлик О.В.]; М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол. ун-
т. – Черкаси : ЧДТУ, 2021. – 32 с.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets