ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Высшие гармоники в кривых токов И напряжений и их влияние на электрооборудование

Электромагнитная совместимость (ЭМС) полупроводниковых преобра­зователей и других видов электрооборудования промышленной системы элек­троснабжения или электроэнергетической системы автономного объекта — зто способность их одновременного функционирования без нарушения за­данных режимов работы с сохранением технических и эксплуатационных оежимов электрооборудования. Естественно, что такое функционирование должно обеспечиваться в любом эксплуатационном режиме в течение всего срока службы.

Схема электрической сети (рис. 2.5) состоит из СПП, получающих пита­ние от распределительного щита (РЩ), объекта регулирования (ОР) и кон­денсаторных батарей (КБ). Питание на распределительный щит поступает от силового трансформатора Гили синхронного генератора либо от нескольких трансформаторов или генераторов, соединенных параллельно. Потребители электроэнергии в представленной схеме условно разделены на две группы: труппа П1 — потребители, нечувствительные к искажениям по напряжению, группа П2 — чувствительные. Здесь же условно показана окружающая среда і ОС). Кроме того, на схеме стрелками показано воздействие СПП на электро­оборудование и потребители сети, объект регулирования или питания, окру­жающую среду. Также показаны воздействия, которым подвергается СПП со стороны электрооборудования и потребителей сети, объекта регулирования или питания, окружающей среды.

Воздействие СПП на сеть проявляется в виде генерирования в нее гармо­ник напряжения и токов различной физической природы и потребления из нее реактивной мощности. Воздействие СПП на объект регулирования проявляется в ис­кажении формы напряжения на входных за­жимах объекта, т. е. в появлении в спектре напряжения высших гармонических состав­ляющих.

Высшие гармоники в кривых токов И напряжений и их влияние на электрооборудование

Рис. 2.5. Схема электрической сети

І

/

Воздействие СПП на окружающую среду заключается в следующем. Амплитудно-час - тотные спектры напряжений и токов на входе и выходе СПП отличаются достаточно ши­роким диапазоном частот — от нескольких герц до нескольких десятков и даже сотен мегагерц. При некоторых определенных час­тотах токопроводящие части СПП начина­ют излучать электромагнитную энергию в
окружающую среду. Иными словами, статический преобразователь является генератором излучения помех. В свою очередь, окружающая среда также со­здает наводки и помехи в системах управления преобразователем.

Исходя из многообразия перечисленных воздействий для обеспечения элек­тромагнитной совместимости СПИ с потребителями промышленных сетей целесообразно использовать следующие технические меры: экранирование статического преобразователя как источника электромагнитных помех; защи­ту статического преобразователя от воздействия внешних помех; индивиду­альную защиту ответственных потребителей; минимизацию гармонических составляющих напряжения и тока, генерируемых в сеть.

Важнейшим фактором в проблеме ЭМС является генерирование преобра­зователями высших гармоник тока и напряжения и влияние их на качество электроэнергии. Стандарт устанавливает ряд следующих показателей, влия­ющих на качество электроэнергии в установившихся режимах [32]:

Установившееся отклонение напряжения А Цст — разность между действи­тельным U и заданным (номинальным) £/ном значениями напряжений, выра­женная в процентах от номинального значения, АЦСТ = [(£/- UH0M)/UH0M] ■ 100;

Установившееся отклонение частоты Afycr — разность между действитель­ным / и заданным (номинальным) /ном значениями частоты, выраженная в процентах от номинального значения, Д/>ст = [(/-/НОм)//Ном] • Ю0;

Коэффициент небаланса напряжений трехфазной системы А"неб — величина, равная разности наибольшего f/max и наименьшего Ј/min значений линейных напряжений в трехфазных системах, выраженная в процентах от номинально­го значения, КжЬ = [(Ј/max - Umm)/UH] ■ 100;

Коэффициент амплитудной модуляции напряжения Кыоаи— величина, рав­ная отношению полуразности наибольшей 1)т тачи наименьшей Ummin ампли­туд линейного напряжения (при наличии его модуляции) к амплитудному но­минальному значению напряжения, выраженная в процентах, KMOaU - | (Ummax. -

- F/mmin)/(2t/mHOM)].100;

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, или ко­эффициент несинусоидальности, или коэффициент нелинейных искажений Км — величина, равная отношению корня квадратного из суммы квадратов амплитудных значений высших гармонических составляющих данной перио­дической кривой напряжения Umn0M к амплитудному значению основной (пер­вой) гармоники, выраженная в процентах,

Высшие гармоники в кривых токов И напряжений и их влияние на электрооборудование

Ml

(Допустимый коэффициент искажения синусоидальности напряжения оп­ределяет ГОСТ 13109-97, табл. 1, 2);

Коэффициент пульсации, характеризующий качество напряжения в сетях постоянного тока. Кпули — отношение максимального мгновенного значения переменной составляющей t/max к номинальному значению постоянной со­ставляющей £УН0М, выраженное в процентах, KnynU = (Umax/UU0M) ■ 100.

Гармонический состав тока, потребляемого преобразователями из сети. Ос­нову СИП составляют полупроводниковые приборы, по своей сущности яв­ляющиеся нелинейными элементами. Работа преобразователей основана на переключении (коммутации) групп тиристоров, транзисторов или диодов, и во всех схемах этот процесс вызывает потребление из сети несинусоидального тока, вследствие чего происходит искажение синусоидальности формы кри­вой напряжения сети.

Ток, потребляемый выпрямителем из сети, можно представить в виде гар­монического ряда, содержащего основную гармонику п = 1, частота которой равна частоте напряжения сети, и некий спектр высших гармоник. Гармони­ческий состав потребляемого из сети тока зависит от схемы выпрямления, а точнее от числа тактов т = fjjё, где /п — частота пульсаций выпрямленного напряжения;^ — частота напряжения сети переменного тока. При этом кри­вая первичного тока выпрямителя кроме основной гармоники содержит выс­шие гармонические составляющие, порядок которых определяется выраже­нием п = km + 1, где к = 1, 2, 3 ...

Относительные значения амплитуд высших гармоник при идеально сгла­женном выпрямленном токе /*„тах= /„max A max > h max ~ ЭМПЛИТуДЭ ПЄрВОЙ гармоники потребляемого тока.

Искажения напряжения сети, вносимые СПП. для разных их схем харак­теризуются различным составом высших гармоник. Поскольку искажения кри­вой напряжения возникают из-за падения напряжения от токов высших гар­монических составляющих на импедансах элементов электросети (источника, кабельной линии, трансформаторов, реакторов и т. д.), то спектр частот гар­моник напряжения сети совпадает со спектром частот гармоник тока, потреб­ляемого преобразователем из сети. Так, порядок высших гармоник напряже­ния, вносимых трехфазными двухполупериодными схемами выпрямления в сеть, определяется выражением п = 6к ± 1. где к= 1, 2, 3, ... Такие гармоники называются каноническими. Для трехфазного двухполупериодного выпрями­теля канонические гармоники сетевого напряжения имеют порядок 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т. д. Для двенадцатифазных схем выпрямления канонические гар­моники имеют порядок 1 1, 13, 23, 25 и т. д.

Падение напряжения на индуктивностях сети от протекания п-й гармони­ки тока Un = 1„Хп, где 1„ — ток п-й гармоники; Х„ — эквивалентное сопротив­ление элементов сети для п-й гармоники. Соответственно определяющими для искажений напряжения будут факторы, влияющие на каждый из сомножите­лей этой формулы. При прочих одинаковых условиях (схема преобразователя, режим работы и др.) амплитуды гармоники тока увеличиваются с ростом мощности преобразователя. На гармоники тока преобразователя влияют также глубина регулирования выходного напряжения и индуктивное сопротивление входного трансформатора (или реактора) преобразователя. При постоянстве тока нагрузки преобразователя с ростом глубины регулирования выходного напряжения амплитуды гармоник его первичного тока увеличиваются, а сле­довательно, увеличиваются и вносимые искажения. С увеличением индуктив­ного сопротивления входного трансформатора (реактора) амплитуды гармо­ник тока уменьшаются.

В настоящее время в связи с широким использованием полностью управля­емых коммутирующих полупроводниковых элементов получают распростра­нение преобразователи частоты с активными выпрямителями (АВ). При ис­пользовании специальных систем управления АВ могут служить статическим компенсирующими устройствами и обеспечивать повышение коэффициента мощности и снижение коэффициента нелинейных искажений.

Высшие гармоники в выпрямленном напряжении и напряжении автономного инвертора. Кривые выпрямленного напряжения на выходе полупроводнико­вых выпрямителей представляют собой периодические функции и могут быть разложены в ряд Фурье:

/і----'

Ud(®t) = Udcp + X ^ягпах Sin(«/mor + <p„),

Я=1

Где Udср = f{Udо, cos а) — среднее значение выпрямленного напряжения; UM — среднее значение выпрямленного напряжения при угле регулирования а = 0; Unmax — амплитудное значение п-й гармоники напряжения; ф„ — угол сдвига.

Относительная амплитуда п-й гармоники

,,, ^ ^п Max = 2 COS Сц/і + (тП Tg Ct)^

"тах~ Udо " {mnf-l

Откуда следует, что амплитуды высших гармоник (при прочих равных услови­ях) увеличиваются с увеличением угла а.

Напряжение на выходе преобразователей частоты с автономными инвер­торами напряжения и синусоидальной широтно-импульсной модуляцией также представляет собой совокупность основной и набора высших гармоник напря­жения. Порядок высших гармонических составляющих для трехфазного мосто­вого автономного инвертора также определяется выражением п~6к± 1. Амп­литудные значения гармоник напряжения определяются не только напряже­нием на входе инвертора и номером гармоники, но и числом импульсов модуляции в периоде основной гармоники. Аналитический вывод этих зависи­мостей достаточно сложен и приводится в специальной литературе.

Ущерб, наносимый электрооборудованию высшими гармоническими состав­ляющими напряжения. Наличие высших гармоник в кривой сетевого напряже­ния снижает надежность и качество работы электрооборудования технологи­ческих установок. В общем случае технико-экономический ущерб, наносимый высшими гармониками напряжения, можно представить в виде нескольких составляющих: У = У_,+ Уи+ Ук+ Ус, где Уэ — ущерб, обусловленный дополни­тельными потерями электроэнергии в сети; Уи — ущерб, обусловленный ус­коренным старением изоляции электрических машин и кабельных линий; Ук — ущерб, обусловленный воздействием высших гармоник на конденсаторные установки; Ус — ущерб, обусловленный ложным срабатыванием устройств за­щит и средств автоматики. Дадим количественные оценки перечисленных со­ставляющих технико-экономического ущерба.

Дополнительные потери энергии в электрооборудовании при коэффици­енте несинусоидальности Ки~ 5% составляют 1,5...3,0 %. При увеличении Кк эти потери возрастают. Таким образом, зная мощность электрооборудования, входящего в состав электросети предприятия, и тарифы на электроэнергию, действующие в энергосистеме, к которой относится предприятие, можно до­вольно ТОЧНО количественно оценить y. j.

Составляющую технико-экономического ущерба Уи можно оценить лишь приблизительно. Увеличение отчислений на капитальный ремонт электро­двигателей, трансформаторов и кабельных линий, эксплуатируемых при ко­эффициентах несинусоидальности напряжения Ки> 5%, должно составлять ориентировочно 5... 10%. Практика показывает, что при несинусоидальном напряжении сети возрастает также стоимость текущих ремонтов электричес­ких машин и силовых кабелей. Так, при Кн = 5... 10% суммарные амортиза­ционные отчисления по кабельному хозяйству возрастают на 5... 10%, если ле Ки= 10... 15%, то суммарные амортизационные отчисления возрастают ло 15%.

В электрических сетях современных промышленных предприятий широко используются конденсаторные установки различного назначения, например, компенсаторы реактивной мощности, электрические фильтры и др. При на­личии высших гармоник в кривой напряжения на обкладках конденсатора процесс старения диэлектрика протекает также значительно интенсивней. Это явление объясняется тем, что физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие их старение, значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля.

При несинусоидальном напряжении сети питания возрастают погрешно­сти систем защиты, индукционных счетчиков, систем импульсно-фазового управления, ухудшается работа телемеханических устройств и т. д. Примене­ние дополнительных технических средств для зашиты этих систем, таких как ішльтрьі и автономные источники питания, увеличивает их стоимость. Выс­шие гармоники затрудняют также использование силовых кабелей в качестве канатов связи для телемеханических систем. Это приводит к дополнительным затратам на организацию специальных каналов связи, а в отдельных случаях вынуждает использовать более дорогие устройства телемеханики.

ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Крановые двигатели. Общая характеристика

Характерной особенностью электромоторов МТН является фазный ротор. Это значит, что управляющее напряжение подается на ротор двигателя. Скорость и пусковой момент регулируется резисторами пусковой регулировки в цепи ротора.

Технико-экономическое обоснование проектных решений

С самого начала постановки и разработки методологии проектирования в учебном процессе раздел технико-экономического обоснования (ТЭО) яв­лялся непременной составной частью дипломного проектирования. В первом курсе по электрической передаче и распределению механичес­кой …

Информационные сети и их компоненты

Информационные сети служат для передачи данных на всех уровнях авто­матизации производства, включая сети полевого и заводского уровней, ком­плекс сетевых компонентов, программные и аппаратные средства для постро­ения, конфигурации и эксплуатации. Некоторые …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.