СОСТАВЛЯЮЩИЕ СУММАРНОЙ МОЩНОСТИ ПОТЕРЬ В ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ СИММЕТРИЧНЫХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ ИСТОЧНИКА

Purpose. Three-phase energy supply system with a symmetrical resistive load operates in mode with the highest possible efficiency in a case of zero instantaneous reactive power and the absence of pulsations instantaneous active power. When load parameters are changed, three-phase energy supply system starts to operate in a mode with additional energy losses. The goal of the paper is to determinate the relations between the components of additional losses and their rezone. Methodology. We have applied the modern theory of instantaneous active and reactive power, the graphical filling complex branched energy supply system of simplified design scheme, the theory of electrical circuits, computer Matlab-simulation. Results. We have developed an universal relation to determine the components of total power loss in the three-phase supply systems with symmetrical three-phase sinusoidal voltage source and any possible load. Further verification of this relation in the Matlab-model of three-phase energy supply system shows its high accuracy. Originality. For the first time, we have carried out relation between RMS reactive and RMS active power instantaneous pulsation and the corresponding components of additional losses. Consequently it becomes possible to offer a unique method of weighting evaluation. Practical value. We have developed position for detecting the causes of additional losses in three-phase supply systems with symmetrical sinusoidal voltage source, as well as to substantiate the correctness of the choice of filter-compensating device. We have developed a Matlab-model which allows to investigate the energy efficiency of three-phase energy supply system and to calculate the components of additional power losses of any possible reasons for their occurrence.Цель. Оценка энергетической эффективности трехфазных систем электроснабжения при передаче энергии от источника в нагрузку создает необходимость в появлении новых теорий, описывающих причины возникновения дополнительных потерь и их вес в общих суммарных потерях энергии. Целью статьи является разработка удобного математического аппарата для такой оценки и экспериментальная проверка его корректности. Методика. Использовалась современная теория мгновенных активной и реактивной мощностей, графическое замещение сложной разветвленной системы электроснабжения упрощенной расчетной схемой, теория электрических цепей, компьютерное моделирование в программной среде Matlab. Результаты. Получено универсальное расчетное соотношение для определения составляющих суммарной мощности потерь в трехфазных системах электроснабжения с трехфазным симметричным источником синусоидальных напряжений. Проверка полученного соотношения на созданной Matlab-модели трехфазной системы электроснабжения показало высокую точность совпадения теоретических результатов с результатами компьютерного моделирования. Научная новизна. Впервые получено соотношение, связывающее реактивную мощность, а также пульсации мгновенное активной мощности с соответствующими составляющими дополнительных потерь, что позволило предложить уникальный метод весовой оценки последних. Практическое значение. Разработаны положения для детектирования причин возникновения дополнительных потерь в трехфазных системах электроснабжения с симметричным синусоидальным источником напряжения, а также для обоснования корректности выбора фильтро-компенсирующего устройства, при использовании которого система электроснабжения будет работать в режиме с минимальными потерями энергии. Создана компьютерная Matlab-модель, позволяющая исследовать энергетическую эффективность трехфазной системы электроснабжения и рассчитывать составляющие мощности дополнительных потерь при любых возможных причинах их возникновения.Ціль. Оцінка енергетичної ефективності трифазних систем електропостачання при передачі енергії від джерела до навантаження створює необхідність появи нових теорій, що описують причини виникнення додаткових втрат і їх вагу в загальних сумарних втратах енергії. Метою статті є розробка зручного математичного апарату для такої оцінки та експериментальна перевірка його коректності. Методика. Використовувалася сучасна теорія миттєвих активної і реактивної потужностей, графічне заміщення складної розгалуженої системи електропостачання спрощеною розрахункової схемою, теорія електричних кіл, комп'ютерне моделювання в програмному середовищі Matlab. Результати. Отримано універсальне розрахункове співвідношення для визначення складових сумарної потужності втрат в трифазних системах електропостачання з трифазним симетричним джерелом синусоїдальних напруг. Перевірка отриманого співвідношення на створеній Matlab-моделі трифазної системи електропостачання показала високу точність збігу теоретичних результатів з результатами комп'ютерного моделювання. Наукова новизна. Вперше отримано співвідношення, що зв'язує реактивну потужність, а також пульсації миттєве активної потужності з відповідними складовими додаткових втрат, що дозволило запропонувати унікальний метод вагової оцінки останніх. Практичне значення. Розроблено положення для детектування причин виникнення додаткових втрат в трифазних системах електропостачання з симетричним синусоїдальним джерелом напруги, а також для обґрунтування коректності вибору фільтро-компенсуючого пристрою, при використанні якого система електропостачання буде працювати в режимі з мінімальними втратами енергії. Створена Matlab-модель, що дозволяє досліджувати енергетичну ефективність трифазної системи електропостачання і розраховувати складові потужності додаткових втрат при будь-яких можливих причинах їх виникнення

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНА С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ТОРМОЖЕНИИ

Purpose. The purpose of the paper is to assess the efficiency of the subway power supply system, which uses a four-quadrant DC drive with energy recovery in the supply network in the braking mode. Methodology. We have applied the theory of electrical circuits and mathematical simulation in Matlab package. Results. The theoretical dependence of the efficiency of the electrical supply system with a bidirectional flow of energy on the coefficient of resistive short circuit at the load terminals has been obtained. The theoretical result is verified by modeling. Originality. The equivalent circuit of the subway power supply system with a four-quadrant DC drive and the possibility of energy recovery to the supply network in braking mode is developed, its parameters are determined, and the schedule of the electric train movement was set. Practical value. The use of the obtained dependencies and simulation results will allow to determine the direction of the future development of the subway power supply system and optimize its energy efficiency. Цель. Целью статьи является оценка КПД системы электроснабжения метрополитена, в которой используется четырёхквадрантный привод постоянного тока с рекуперацией энергии в питающую сеть в режиме торможения. Методика. Для проведения исследований использовалась теория электрических цепей, математическое моделирование в пакете Matlab. Результаты. Получена теоретическая зависимость КПД СЭ с двунаправленным потоком энергии от коэффициента резистивного короткого замыкания на клеммах нагрузки. Теоретический результат проверен моделированием. Научная новизна. Разработана эквивалентная схема системы электроснабжения метрополитена с четырёхквадрантным приводом постоянного тока и возможностью рекуперации энергии в питающую сеть в режиме торможения, определены её параметры, задан график движения электропоезда. Практическое значение. Использование полученных зависимостей и результатов моделирования позволит определить направление перспективного развития системы электроснабжения метрополитена, оптимизировать её энергоэффективность.

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СИЛОВЫХ ЦЕПЕЙ МНОГОУРОВНЕВОГО МОДУЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ЕГО ТРАНЗИСТОРНЫХ МОДУЛЕЙ

Goal. The goal of the paper is to study the peculiarities of building power circuits of a modular multilevel converter (MMC) of electrical energy for DC transmission lines, to investigate its operating principles and basic characteristics. Methodology. We have applied the theory of electrical circuits and mathematical simulation in Matlab package. Results. A Matlab-model of the MMC power circuit was constructed with shunting of all the shoulders by current sources, which made it possible to check the correctness of the formulas for the characteristics of the proposed circuits. Originality. Variants of power circuits of MMC with shunting of all shoulders of the converter by current sources are offered. The tables of states of HB and FB modules for forward and backward direction of the current of the shoulders are made. Practical value. The use of the proposed structure of the converter power circuit and the algorithms of operation of the power transistor modules will help to determine the scope of their application, will help in the synthesis of the control system and analysis of possible emergency modes of the MMC. Цель. Целью статьи является исследование особенностей построения силовых цепей многоуровневого модульного преобразователя (ММС) электроэнергии для линий электропередачи постоянного тока, исследование его принципов работы и основных характеристик. Методика. Для проведения исследований использовалась теория электрических цепей, математическое моделирование в пакете Matlab. Результаты. Построена Matlab-модель силовой схемы ММС с шунтированием всех плеч источниками тока, позволившая проверить корректность формул для характеристик предложенных схем. Научная новизна. Предложены варианты силовых схем ММС с шунтированием всех плеч преобразователя источниками тока. Составлены таблицы состояний HB и FB модулей при прямом и обратном направлении токов плеч. Практическое значение. Использование предложенной структуры силовой схемы преобразователя и алгоритмов работы силовых транзисторных модулей позволит определить сферу их применения, поможет в синтезе системы управления и анализе возможных аварийных режимов MMC

ENERGY LOSS REDUCTION IN SMART GRID UTILITIES FOR ACCOUNT OF TRANSITION FROM SINGLE-PHASE TO THREE-PHASE POWER DISTRIBUTION SYSTEMS

Получены аналитические зависимости показателей эффективности перехода от однофазных к трехфазным системам электроснабжения – мощности потерь энергии и расхода меди.Отримані аналітичні залежності показників ефективності переходу від однофазних до трифазних систем електропостачання – потужності втрат енергії та витрати міді.Analytical dependences of such efficiency indices as energy loss power and copper consumption under transition from single-phase power distribution systems to three-phase ones are obtained

СОСТАВЛЯЮЩИЕ МОЩНОСТИ СУММАРНЫХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ПРОСТРАНСТВЕННЫХ PQR КООРДИНАТАХ

Purpose. To obtain relations determining the components of the total losses power with p-q-r power theory for three-phase four-wire energy supply systems, uniquely linking four components: the lowest possible losses power, losses power caused by the reactive power, losses power caused by the instantaneous active power pulsations, losses power caused by current flowing in the neutral wire. Methodology. We have applied concepts of p-q-r power theory, the theory of electrical circuits and mathematical simulation in Matlab package. Results. We have obtained the exact relation, which allows to calculate the total losses power in the three-phase four-wire energy supply system using three components corresponding to the projections of the generalized vectors of voltage and current along the pqr axis coordinates. Originality. For the first time, we have established a mathematical relationship between spatial representation of instantaneous values of the vector components and the total losses power in the three-phase four-wire energy supply systems. Practical value. We have elucidated an issue that using the proposed methodology would create a measuring device for determining the current value of the components of total losses power in three-phase systems. The device operates with measuring information about instantaneous values of currents and voltages.Цель. Целью статьи является получение соотношений для определения составляющих суммарной мощности потерь с использованием p-q-r теории мощности для трехфазных четырехпроводных систем электроснабжения, однозначно связывающих четыре компоненты: минимально возможную мощность потерь; мощность потерь, обусловленную реактивной мощностью; мощность потерь, обусловленную пульсациями мгновенной активной мощности; мощность потерь, обусловленную протеканием тока в нулевом проводе. Методика. Для проведения исследований использовались положения p-q-r теории мощности, теория электрических цепей, математическое моделирование в пакете Matlab. Результаты. Получено точное расчетное соотношение, позволяющее рассчитать суммарную мощность потерь в трехфазной четырехпроводной системе электроснабжения через три составляющие, соответствующие проекциям обобщенных векторов тока и напряжения на оси pqr системы координат. Научная новизна. Впервые установлена математическая связь между пространственным векторным представлением мгновенных величин и составляющими мощности суммарных потерь в трехфазных четырехпроводных системах электроснабжения. Практическое значение. Использование предложенной методики позволит создать измерительный прибор для определения текущего значения составляющих мощности суммарных потерь в трехфазных системах, оперирующий измерительной информацией о мгновенных значениях токов и напряжений.Мета. Метою статті є отримання співвідношень для визначення складових сумарної потужності втрат з використанням p-q-r теорії потужності для трифазних чотирипровідних систем електропостачання, що однозначно зв'язують чотири компоненти: мінімально можливу потужність втрат; потужність втрат, обумовлену реактивною потужністю; потужність втрат, обумовлену пульсаціями миттєвої активної потужності; потужність втрат, обумовлену протіканням струму в нульовому проводі. Методика. Для проведення досліджень використовувалися положення p-q-r теорії потужності, теорія електричних кіл, математичне моделювання в пакеті Matlab. Результати. Отримано точне розрахункове співвідношення, що дозволяє визначати сумарну потужність втрат у трифазній системі електропостачання через три складові, відповідні проекціям узагальнених векторів струму і напруги на осі pqr системи координат. Наукова новизна. Вперше встановлено математичний зв'язок між просторовим векторним поданням миттєвих величин і складовими потужності сумарних втрат в трифазних чотирипровідних системах електропостачання. Практичне значення. Використання запропонованої методики дозволить створити вимірювальний прилад для визначення поточного значення складових потужності сумарних втрат в трифазних системах, що оперує вимірювальною інформацією про миттєві значення струмів і напруг

СОСТАВЛЯЮЩИЕ МОЩНОСТИ СУММАРНЫХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ПРОСТРАНСТВЕННЫХ PQR КООРДИНАТАХ

Purpose. To obtain relations determining the components of the total losses power with p-q-r power theory for three-phase four-wire energy supply systems, uniquely linking four components: the lowest possible losses power, losses power caused by the reactive power, losses power caused by the instantaneous active power pulsations, losses power caused by current flowing in the neutral wire. Methodology. We have applied concepts of p-q-r power theory, the theory of electrical circuits and mathematical simulation in Matlab package. Results. We have obtained the exact relation, which allows to calculate the total losses power in the three-phase four-wire energy supply system using three components corresponding to the projections of the generalized vectors of voltage and current along the pqr axis coordinates. Originality. For the first time, we have established a mathematical relationship between spatial representation of instantaneous values of the vector components and the total losses power in the three-phase four-wire energy supply systems. Practical value. We have elucidated an issue that using the proposed methodology would create a measuring device for determining the current value of the components of total losses power in three-phase systems. The device operates with measuring information about instantaneous values of currents and voltages.Цель. Целью статьи является получение соотношений для определения составляющих суммарной мощности потерь с использованием p-q-r теории мощности для трехфазных четырехпроводных систем электроснабжения, однозначно связывающих четыре компоненты: минимально возможную мощность потерь; мощность потерь, обусловленную реактивной мощностью; мощность потерь, обусловленную пульсациями мгновенной активной мощности; мощность потерь, обусловленную протеканием тока в нулевом проводе. Методика. Для проведения исследований использовались положения p-q-r теории мощности, теория электрических цепей, математическое моделирование в пакете Matlab. Результаты. Получено точное расчетное соотношение, позволяющее рассчитать суммарную мощность потерь в трехфазной четырехпроводной системе электроснабжения через три составляющие, соответствующие проекциям обобщенных векторов тока и напряжения на оси pqr системы координат. Научная новизна. Впервые установлена математическая связь между пространственным векторным представлением мгновенных величин и составляющими мощности суммарных потерь в трехфазных четырехпроводных системах электроснабжения. Практическое значение. Использование предложенной методики позволит создать измерительный прибор для определения текущего значения составляющих мощности суммарных потерь в трехфазных системах, оперирующий измерительной информацией о мгновенных значениях токов и напряжений.Мета. Метою статті є отримання співвідношень для визначення складових сумарної потужності втрат з використанням p-q-r теорії потужності для трифазних чотирипровідних систем електропостачання, що однозначно зв'язують чотири компоненти: мінімально можливу потужність втрат; потужність втрат, обумовлену реактивною потужністю; потужність втрат, обумовлену пульсаціями миттєвої активної потужності; потужність втрат, обумовлену протіканням струму в нульовому проводі. Методика. Для проведення досліджень використовувалися положення p-q-r теорії потужності, теорія електричних кіл, математичне моделювання в пакеті Matlab. Результати. Отримано точне розрахункове співвідношення, що дозволяє визначати сумарну потужність втрат у трифазній системі електропостачання через три складові, відповідні проекціям узагальнених векторів струму і напруги на осі pqr системи координат. Наукова новизна. Вперше встановлено математичний зв'язок між просторовим векторним поданням миттєвих величин і складовими потужності сумарних втрат в трифазних чотирипровідних системах електропостачання. Практичне значення. Використання запропонованої методики дозволить створити вимірювальний прилад для визначення поточного значення складових потужності сумарних втрат в трифазних системах, що оперує вимірювальною інформацією про миттєві значення струмів і напруг

ЕНЕРГІЯ І ПОТУЖНІСТЬ В СИСТЕМАХ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ З НАПІВПРОВІДНИКОВИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ І НАКОПИЧУВАЧАМИ ЕНЕРГІЇ

Use of the terms "energy", "active power", "reactive power" for power supply systems with semiconductor converters and energy storage is substantiated. Techniques for calculating energy efficiency of these systems are presented.Обосновано использование терминов "энергия", "активная мощность", "реактивная мощность" применительно к системам электроснабжения с полупроводниковыми преобразователями и накопителями энергии. Представлены способы расчета энергетической эффективности таких систем электроснабжения.Обґрунтовано використання термінів "енергія", "активна потужність", "реактивна потужність" щодо систем електропостачання з напівпровідниковими перетворювачами і накопичувачами енергії. Представлені способи розрахунку таких систем електропостачання

ЕНЕРГІЯ І ПОТУЖНІСТЬ В СИСТЕМАХ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ З НАПІВПРОВІДНИКОВИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ І НАКОПИЧУВАЧАМИ ЕНЕРГІЇ

Use of the terms "energy", "active power", "reactive power" for power supply systems with semiconductor converters and energy storage is substantiated. Techniques for calculating energy efficiency of these systems are presented.Обосновано использование терминов "энергия", "активная мощность", "реактивная мощность" применительно к системам электроснабжения с полупроводниковыми преобразователями и накопителями энергии. Представлены способы расчета энергетической эффективности таких систем электроснабжения.Обґрунтовано використання термінів "енергія", "активна потужність", "реактивна потужність" щодо систем електропостачання з напівпровідниковими перетворювачами і накопичувачами енергії. Представлені способи розрахунку таких систем електропостачання

КПД ДВУХПУЛЬСНОГО МОСТОВОГО НЕУПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С ЕМКОСТНЫМ ФИЛЬТРОМ

In the paper, efficiency of a single-phase noncontrolled bridge rectifier with a capacitance filter versus equivalent-to-load-resistance ratio has been specified.В статье получена зависимость коэффициента полезного действия однофазного мостового неуправляемого выпрямителя с емкостным фильтром от отношения эквивалентного сопротивления и сопротивления нагрузки.У статті отримана залежність коефіцієнта корисної дії однофазного мостового некерованого випрямляча з ємнісним фільтром від відношення еквівалентного опору та опору навантаження

ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ПОНЯТИЯ «РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ» ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТРЕХФАЗНЫМ СИСТЕМАМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ

Purpose. The contradictions in the use of the term «reactive power» require justification by clarifying its physical meaning. The aim of the paper is to reveal the physical meaning of the term «reactive power» applied to three-phase three-wire and four-wire energy supply systems. Methodology. We have applied the modern theory of instantaneous active and reactive power, the graphical filling complex branched energy supply system of simplified design scheme, the theory of electrical circuits, computer Matlab-simulation. Results. We have provided answers to six basic questions that reveal the physical meaning and definition of the concept of «reactive power». We have justified the assumptions suggesting a universal calculation formula to determine the relative total power loss in the three-phase energy supply system as the sum of four components caused by: a minimal losses, reactive power, active power pulsations and instantaneous current flow in the neutral wire. Originality. We have developed the definition that reveals the physical meaning of the term «reactive power» for three-phase energy supply systems corresponding to modern theories of instantaneous active and reactive power. Practical value. We have proposed energy efficiency method ideas of energy supply systems with non-linear load based on the additional components of the power losses calculation. The further development of the method will allow to amend the design, selection and operation of the power active filters practices.Авторы статьи задаются целью дать ответы на вопросы, способные раскрыть физический смысл термина «реактивная мощность» с обоснованием принимамых допущений применительно к трехфазным трехпроводным и четырехпроводным системам электроснабжения. Методика. Использовалась эквивалентная графическая замены сложной разветвленной схемы системы электроснабжения упрощенной расчетной схемой, методы теории электрических цепей, современные теории мгновенной активной и реактивной мощностей, компьютерное моделирование в среде Matlab. Результаты. Даны ответы на шесть основных вопросов, раскрывающих физический смысл понятия «реактивная мощность». Сформулированы несколько определений термина «реактивная мощность». Обоснованы допущения, позволяющие предложить универсальную расчетную формулу для определения относительной суммарной мощности потерь в трехфазной системе электроснабжения как сумму четырех составляющих, обусловленных: минимально возможными потерями, реактивной мощностью, пульсациями мгновенной активной мощности и протеканием тока в нулевом проводе. Научная новизна. Предложено определение, раскрывающее физический смысл термина «реактивная мощность» для трехфазных систем электроснабжения, отвечающее положениям современных теорий мгновенной активной и реактивной мощностей. Практическое значение. Развиты положения метода оценки энергетической эффективности систем электроснабжения с нелинейной нагрузкой, основанные на расчете дополнительных составляющих мощности потерь. Дальнейшее развитие метода позволит внести дополнения в практику расчета, выбора и эксплуатации силовых активных фильтров.Автори статті ставлять собі за мету дати відповіді на питання, здатні розкрити фізичний зміст терміну «реактивна потужність» з обґрунтуванням прийнятих припущень стосовно трифазних трипровідних і чотирипровідних систем електропостачання. Методика. Використовувалася еквівалентна графічна заміна складної розгалуженої схеми системи електропостачання спрощеною розрахунковою схемою, методи теорії електричних кіл, сучасні теорії миттєвої активної і реактивної потужностей, комп'ютерне моделювання в середовищі Matlab. Результати. Дано відповіді на шість основних питань, які розкривають фізичний зміст поняття «реактивна потужність». Сформульовано декілька визначень терміну «реактивна потужність». Обґрунтовані допущення, що дозволяють запропонувати універсальну розрахункову формулу для визначення відносної сумарної потужності втрат у трифазній системі електропостачання як суму чотирьох складових, обумовлених: мінімально можливими втратами, реактивною потужністю, пульсаціями миттєвої активної потужності і протіканням струму в нульовому проводі. Наукова новизна. Запропоновано визначення, що розкриває фізичний зміст терміну «реактивна потужність» для трифазних систем електропостачання, що відповідає положенням сучасних теорій миттєвої активної і реактивної потужностей. Практичне значення. Розвинені положення методу оцінки енергетичної ефективності систем електропостачання з нелінійним навантаженням, засновані на розрахунку додаткових складових потужності втрат. Подальший розвиток методу дозволить внести доповнення до практики розрахунку, вибору та експлуатації силових активних фільтрів