Кафедра Электроснабжения промышленных предприятий Дисциплина: «Качество электрической энергии» Направление 140400 - «Электроэнергетика и электротехника» 1
Распределение учебного времени: Ø Ø ЛЕКЦИИ Практические занятия Лабораторные занятия Самостоятельная работа Ø Форма отчетности − 32 часа; − нет ; − 16 часов; − 76 часов. − зачет; 2
Основная литература: ü Карташев И. И. , Тульский В. Н. и др. Управление качеством электроэнергии / под ред. Ю. В. Шарова. — М. : Издательский дом МЭИ, 2006. — 320 с. : ил. ü Суднова В. В. Качество электрической энергии. — М. : ЗАО «Энергосервис» , 2000. — 80 с. ü ГОСТ 13109 -97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электроагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» . ü Жежеленко И. В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. − М. : Энергоатомиздат, 1986. − 168 с. 3
Дополнительная литература: ü Волков Н. Г. Качество электроэнергии в системах электроснабжения: учебное пособие. − Томск: Издательство ТПУ, 2010. − 152 с. ü Лукутин Б. В. , Муравлев И. О. , Муравлев А. И. Качество электрической энергии. Лабораторный практикум: учебное пособие. − Томск: Издательство ТПУ, 2010. − 87 с. 4
Содержание: § Введение. Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Основные понятия и определения. § Отклонения напряжений. § Колебания напряжений. § Несинусоидальные режимы электроснабжения. § Несимметрия напряжений в системах электроснабжений. § Динамические характеристики показателей качества электроэнергии. § Качество электрической энергии и электромагнитная совместимость в системах электроснабжения с резко переменными нагрузками. § Влияние качества электрической энергии на работу электроприемников. § Управление качеством электрической энергии. 5
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Электромагнитной совместимостью называют способность технических средств нормально функционировать в данной электромагнитной среде, не внося недопустимых электромагнитных помех в эту среду и не испытывая таковых с ее стороны. ГОСТ Р 50397 -92: «Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения» Электромагнитная совместимость - это способность технических средств функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке не создавая недопустимых помех другим техническим средствам. Федеральный закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости» − … техническое средство должно не только не создавать недопустимых помех другим техническим средствам, но и не оказывать недопустимых электромагнитных воздействий на биологические объекты. 6
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Электромагнитная помеха кондуктивная индуктивная 7
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Кондуктивные помехи распространяются в проводящей среде. Проводящей средой могут быть сигнальные цепи, цепи электропитания, экраны, заземлители. Индуктивные помехи (полевые помехи) распространяются в пространстве, окружающем проводящую среду. Источниками электромагнитных помех могут технические средства, так и природные явления. быть как Генерация помех источником называется электромагнитной эмиссией от источника помех. В электроэнергетике и электромеханике более важными являются вопросы связанные с влиянием кондуктивных помех. Показатели качества электроэнергии характеризуют уровень помех данного типа. 8
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Качество электроэнергии, наряду с надежностью, безопасностью и экономичностью, является одним из обязательных требований, предъявляемых к системам электроснабжения. Электроэнергия как товар обладает целым рядом специфических свойств. Она непосредственно используется при создании других видов продукции и оказывает существенное влияние на экономические показатели производства и качество, выпускаемых изделий. Понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других товаров. Качество электроэнергии проявляется не непосредственно, а через качество работы электроприемников. 9
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Снижение качества электроэнергии следующим последствиям: может привести к q увеличение потерь активной мощности и электроэнергии; q сокращение срока службы электрооборудования преждевременный выход его из строя; и q нарушение нормального хода технологического процесса производства потребителей, что приводит к снижению качества производимой продукции и к увеличению энергозатрат на производство и др. Показатели качества электрической энергии определяются межгосударственным стандартом ГОСТ 13109 -97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» . 10
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Стандарт устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения). Нормы, установленные этим стандартом, являются обязательными во всех режимах работы систем электроснабжения, кроме режимов, обусловленных: q исключительными погодными условиями и стихийными бедствиями (ураган, наводнение и др. ) q непредвиденными ситуациями, вызванными действиями стороны, не являющейся энергоснабжающей организацией и потребителем (пожар, взрыв и т. д. ): q условиями, регламентированными государственными органами; q ликвидацией последствий, вызванных исключительными погодными условиями. 11
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Система электроснабжения общего назначения - совокупность электроустановок и электрических устройств энергоснабжающей организации, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных потребителей (приемников электрической энергии). Электрическая сеть общего назначения - электрическая сеть энергоснабжающей организации, предназначенная для передачи электрической энергии различным потребителям (приемникам электрической энергии). Центр питания - распределительное устройство генераторного напряжения электростанции или распределительное устройство вторичного напряжения понизительной подстанции энергосистемы, к которым присоединены распределительные сети. 12
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Точка общего присоединения - точка электрической сети общего назначения, электрически ближайшая к сетям рассматриваемого потребителя электрической энергии (входным устройствам рассматриваемого приемника электрической энергии), к которой присоединены или могут быть присоединены электрические сети других потребителей (входные устройства других приемников). Потребитель электрической энергии - юридическое или физическое лицо, осуществляющее пользование электрической энергией (мощностью). 13
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Кондуктивная электромагнитная помеха в системе энергоснабжения электромагнитная помеха, распространяющаяся по элементам электрической сети. Уровень электромагнитной совместимости в системе энергоснабжения - регламентированный уровень кондуктивной электромагнитной помехи, используемый в качестве эталонного для координации между допустимым уровнем помех, вносимым техническими средствами энергоснабжающей организации и потребителей электрической энергии, и уровнем помех, воспринимаемым техническими средствами без нарушения их нормального функционирования. 14
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Для обеспечения надлежащих технико-экономических показателей функционирования электротехнических систем, необходимо показатели качества электроэнергии поддерживать на уровне требований ГОСТ 13109 -97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» . ГОСТ 13109 -97 не устанавливает нормы качества электроэнергии у приемников в аварийных режимах и в случае присоединения приемников к сетям не общего назначения (сеть передвижных или стационарных маломощных установок). 15
Показатели качества энергии (основные) по ГОСТ 13109 -97 16
Показатели качества энергии (основные) по ГОСТ 13109 -97 17
18
Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии. Общие понятия и определения Согласно ГОСТ 13109 -97 при контроле показателей качества электроэнергии устанавливаются следующие основные правила: q длительность контроля большинства ПКЭ – не менее суток; q установлены два вида норм ПКЭ: нормально допустимые и предельно допустимые; q ПКЭ считается соответствующим требованиям ГОСТ, если его усредненные (интегрированные) оценки не выходят за предельно допустимые нормы и в течение не менее 95 % времени каждых суток значения ПКЭ не выходят за пределы нормально допустимых значений. 19
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Одним из важнейших показателей качества электроэнергии является действующее значение напряжения – фазного или линейного в зависимости от схемы включения потребителей. В пределах одной ступени трансформации значение напряжения сети изменяется в относительно небольших пределах, поэтому, с целью упрощения расчетов и достижения большей наглядности, на практике пользуются понятием отклонение напряжения. Отклонение напряжения – это разность между действительным и номинальным значениями напряжения: или в процентах: 20
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Действительное значение напряжения в электрических сетях однофазного тока определяют как действующее значение напряжения основной частоты U(1) без учета гармонических составляющих, в сетях трехфазного тока – как действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты U 1(1). Действительное действующее значение напряжения для трехфазной сети: где - линейные напряжения 21
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Согласно ГОСТу 13109 -97 в условиях нормальной работы приемников электроэнергии отклонения напряжения от номинального значения допускаются в следующих пределах: ü -5 … 10 % на зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления; ü -2, 5 … 5 % на зажимах приборов рабочего освещения, установленных в производственных помещениях и общественных зданиях, где требуется значительное зрительное напряжение, а также в прожекторных установках наружного освещения; ü на зажимах остальных приемников электроэнергии допускается отклонение напряжения в пределах 5 % номинального. В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение напряжения на 5 %. 22
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Векторная диаграмма напряжений для простейшей электрической сети 23
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Уравнения состояния данной электрической системы имеют вид: где: - вектор напряжения питающей сети; - вектор напряжения на зажимах потребителя; - падение напряжения в линии; - продольная и поперечная составляющие падения напряжения; 24
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Поперечная составляющая падения напряжения при активно-индуктивной нагрузке мала, незначительны углы между напряжением в узлах системы электроснабжения (на практике суммарный угол между напряжениями различных ступеней трансформации не превышает 10 о), поэтому для практических расчетов отклонений и колебаний напряжений промышленных сетей можно считать разницу между падением и потерей напряжения несущественной и потерю напряжения определять по формуле 25
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Учитывая, что в промышленных электрических сетях R/X = 0, 03… 0, 1, выражение можно записать в относительных единицах в следующем виде: 26
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Гистограмма показывает вероятность попадания значения ПКЭ в интервал возможных изменений значений показателя за период его измерения. По данным гистограммы вычисляют вероятные числовые характеристики ПКЭ: математическое ожидание, дисперсию, среднеквадратическое отклонение. Знание этих параметров необходимо для проведения мероприятий по улучшению качества напряжения. По данным гистограммы вычисляют вероятные числовые характеристики ПКЭ: q математическое ожидание; q дисперсию; q среднеквадратическое отклонение. Знание этих параметров необходимо для проведения мероприятий по улучшению качества напряжения. 27
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Примерная гистограмма отклонения напряжения 28
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Математическое ожидание установившегося отклонения напряжения М(δUу) характеризует средний уровень напряжения в рассматриваемом пункте электрической сети за контролируемый промежуток времени. Оно может быть определено из гистограммы по формуле 29
ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Рассеяние отклонения напряжения относительно математического ожидания характеризуется дисперсией. Она равна математическому ожиданию квадрата отклонений случайной величины от ее среднего значения. По гистограмме дисперсия определяется по формуле 30
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Основными факторами, вызывающими отклонения напряжения в системах электроснабжения, являются изменения режимов работы приемников электроэнергии и источников питания, нерациональное подключение однофазных и ударных нагрузок к элементам системы электроснабжения. Отклонение ПКЭ от нормативных или оптимальных значений проявляется в виде экономического ущерба у потребителей электрической энергии, который имеет электромагнитную и технологическую составляющие. 31
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ Изменения потерь мощности в зависимости от отклонений напряжения при различных коэффициентах загрузки двигателя : а – активной мощности; б – реактивной мощности 32
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Схема замещения асинхронной электрической машины 33
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Изменение напряжения питающей сети U вызывает соответствующее изменение намагничивающего тока и соответственно изменение магнитного потока машины Ф. где Uном , fном – номинальные значения напряжения и частоты; относительные значения напряжения и частоты. 34
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Относительная величина номинальной частоте вращающего момента при где – максимальное номинальное и номинальное значения вращающего момента; Sкр – критическое скольжение, при котором двигатель развивает максимальный вращающий момент (Sкр = 5… 15 %). 35
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ При неизменном моменте сопротивления Мс=const скольжение АД обратно пропорционально напряжению питания: Моментная характеристика асинхронного электродвигателя при различных напряжениях питания 36
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Изменение скольжения АД в зависимости от напряжения питания 37
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Изменение тока статора АД в зависимости от напряжения питания для различных кратностей тока холостого хода 38
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Изменение реактивной мощности АД в зависимости от напряжения питания 39
40
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ СИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ Подводимая к двигателю электрическая мощность: Электромагнитный момент двигателя: Угловая характеристика синхронного двигателя: - Максимальный момент синхронного двигателя 41
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Достоинства синхронных электродвигателей: q Возможность получения оптимального режима по потреблению (выработки) реактивной энергии. синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть, при коэффициенте мощности равным единице. В этих условиях работающий синхронный двигатель нагружает сеть только активным током. По этой причине обмотка статора синхронного двигателя рассчитывается на один активный ток (у асинхронного двигателя эта обмотка рассчитывается на активный и реактивный токи). По этой причине при одинаковой номинальной мощности габариты синхронного двигателя меньше, а его к. п. д. выше, чем асинхронного. q Менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные электродвигатели. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения. q Имеют высокую перегрузочную способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения. q Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности. 42
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Исследования, проведенные на накатных автоматах метизнометаллургического завода, показали, что средняя минутная производительность этих автоматов составляет 0, 275 кг при напряжении на зажимах двигателя U = 1, 05 Uном и 0, 236 кг при U = 0, 9 Uном. В электролизном производстве отрицательные значения установившегося отклонения напряжения приводит к снижению производительности электролизных ванн и повышению удельных расходов ЭЭ. Так при снижении напряжения на 10% производительность ванн снижается на 10%. 43
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Значительное влияние оказывают отклонения напряжения на протекание технологических процессов в электротермии. Отклонение питающего напряжения в электрических печах сопротивления существенно меняет их мощность, т. к. При снижении напряжения увеличивается длительность технологического процесса, а в ряде случаев может иметь место полное его расстройство. Так при снижении напряжения на 8 -10 % технологический процесс в печах сопротивления и индукционных печах нельзя довести до конца. 44
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ Мощность осветительных установок на предприятиях характеризуется плотностью нагрузки порядка 10 -100 Вт/м 2, в зависимости от типа производства. Распространенными источниками света, используемыми в осветительных установках, являются: 1. лампы накаливания (ЛН); 2. газоразрядные лампы: - люминесцентные ртутные низкого давления (ЛЛ), - ртутные лампы высокого давления (ДРЛ, ДРИ), - натриевые лампы высокого давления (ДНат), - дуговые ксеноновые трубчатые лампы (ДКс. Т). 45
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Относительные характеристики ЛН (а) и ДРЛ (б): 1 - светоотдача В/Вн, 2 - потребляемая мощность Р/Рн, 3 - срока службы Т/Тн. 46
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Рост мощности, потребляемой лампами Превышение напряжения, % Тип лампы 1 2 3 5 Лампы накаливания 1, 6 3, 2 4, 7 8, 1 Ртутные лампы типа ДРЛ 2, 4 4, 9 7, 2 12, 2 17 24, 3 2 8 11 18 23 34 Натриевые лампы типа ДНат 6 10 11, 5 16, 4 47
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Основными факторами, влияющими на величину отклонения напряжения в системах электроснабжения, являются: q соблюдение баланса реактивной мощности в узлах нагрузок, q оптимальное регулирование напряжения в центре питания, q применение местного регулирования напряжения, q рациональное распределение по фазам ударных и однофазных нагрузок. Одним из основных условий уменьшения потерь ЭЭ и улучшения ее качества является повышение номинального уровня напряжения. Как правило, превышения отклонений напряжения выше допустимых свидетельствуют о нерациональном уровне напряжения на данной ступени электроснабжения. 48
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Регулирование напряжения в центре питания Наиболее эффективным методом снижения отклонений напряжения является регулирование напряжения. Под регулированием напряжения следует понимать комплекс мероприятий с применением технических средств по ограничению отклонений напряжения у потребителей ЭЭ в допустимых пределах. 49
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Регулирование напряжения на предприятиях осуществляться следующими способами: может q изменением напряжения в питающей сети энергосистемы путем изменения тока возбуждения генераторов; q изменением добавочного напряжения Uд включением последовательно регулировочных трансформаторов или изменением коэффициента трансформации трансформаторов; q изменением продольной и поперечной составляющих падения напряжения (изменение реактивной составляющей полного тока нагрузки и индуктивного сопротивления сети) за счет регулирования потоков реактивной мощности в питающих и распределительных линиях с помощью устройств компенсации (батарей конденсаторов, синхронных машин и компенсаторов); q изменением схемы электрической сети. 50
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Экономическая эффективность применения специальных технических средств оценивается сравнением приведенных годовых затрат на регулирующее устройство с убытком (У) от низкого качества напряжения: где Кру – капитальные вложения на регулирующее устройство; с0 и Э – стоимость 1 к. Вт ч ЭЭ и потери энергии в устройствах соответственно; Кн. э – нормативный коэффициент эффективности; Ка – коэффициент отчисления на амортизацию, ремонт и оборудование. 51
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Выражение для определения напряжения U 1 на электроприемнике, учитывающее указанные выше способы регулирования в общем виде можно представить следующим выражением Uc – напряжение питающей сети; U 1 и U 1 ном – текущее и номинальное значения напряжения; R, XL и XC – эквивалентные сопротивления питающей сети от системы до узла нагрузки (R – активное, XL – индуктивное, XC – емкостное сопротивления); Uдоб – добавка напряжения, обеспечиваемая переключением ответвлений обмотки трансформатора или последовательно регулировочного трансформатора; Qк. у. – регулируемая мощность компенсирующих устройств; Рп и Qп – расчетная активная и реактивная нагрузки. 52
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Трансформаторы ГПП и ПГВ, как правило, снабжаются устройством автоматического регулирования напряжения под нагрузкой (АРПН). РУ 6– 10 к. В в этом случае являются центром питания (ЦП) точки централизованного регулирования напряжения. Пределы регулирования напряжения с помощью АРПН трансформаторов класса напряжения 35 к. В установлены (6 х 1, 5 %) для мощностей до 6, 3 МВА и (8 х 1, 5 %) для мощностей 10 МВА и выше; для трансформаторов класса 110 к. В мощностью 6, 3 МВА и выше – (9 х 1, 78 %). На цеховых ТП применяются трансформаторы с переключением без возбуждения (ПБВ) с пределами регулирования (2 х 2, 5 %). Регулирование напряжения в центрах питания приводит к изменению отклонения напряжения практически во всей системе электроснабжения. Такое регулирование называется централизованным. Регулирование напряжения в ограниченной части системы называется местным. 53
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Местное регулирование напряжения в распределительных сетях Отдельные потребители электроэнергии имеют различную удаленность от центров питания, различные графики нагрузок, что приводит к несовпадению требований к регулированию напряжения. Поэтому применяется индивидуальное регулирование напряжения в отдельных точках сети или непосредственно на зажимах потребителей, так называемое местным регулированием. Для этих целей применяются управляемые источники реактивной мощности (СД, КБ), устройства, создающие добавку напряжения (линейные регуляторы и стабилизаторы напряжения). При включении или отключении компенсирующих устройств напряжение в точке подключения изменится на значение (на ступень) 54
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Если положить, что напряжение U в точке подключения КУ равно Uном, то значение повышения напряжения V, %, Реактивная мощность компенсирующего устройства, необходимая для повышения напряжения на требуемую ступень Vрег, определяется из Если напряжение и Vрег. заданы в относительных единицах Vр* 55
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Нормализация отклонений напряжения в сетях освещения Нормативные требования к качеству напряжения источников питания осветительных установок более жесткие по сравнению с требованиями других электропотребителей. Это обусловлено нормируемой освещенностью и сроком службы ламп. Питание электрического освещения, как правило, производится от общих для осветительных и силовых нагрузок, имеющих переменный график, трансформаторов напряжением 380/220 В. Сети электроосвещения характеризуются большой разветвленностью и протяженностью. Поэтому важнейшим требованием к расчету сетей освещения является выбор таких сечений проводников, при которых отклонения напряжения на зажимах источников света находились бы в допустимых пределах. Допустимый уровень напряжения у наиболее удаленных светильников должен быть не менее 97, 5 % от номинального значения. Снижение напряжения более 10 % от номинального не гарантирует даже надежного зажигания и горения газоразрядных ламп. 56
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Располагаемая потеря напряжения определяется с учетом потери в трансформаторе – напряжение холостого хода трансформатора, соответствующее номинальному напряжению на зажимах вторичной обмотки трансформатора и равное 105 % от номинального напряжения – потеря напряжения в трансформаторе, %; – минимально допустимое напряжение лампы в процентах от номинального (97, 5%). 57
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Потеря напряжения во вторичной обмотке трансформатора зависит от его загрузки и параметров, а также от коэффициента мощности сети 58
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Сети освещения обычно выполняются проводниками с одинаковым сечением, единичные мощности светильников и значения их коэффициента мощности одинаковы. Пренебрегая индуктивностью сети потерю напряжения для однофазной линии переменного тока можно определить по формуле В производственных условиях иногда не удается получить удовлетворительного качества напряжения на зажимах осветительных приборов отмеченными выше средствами. В этом случае рекомендуется применение вольтодобавочных трансформаторов (ВДТ). В качестве которых в простейших схемах могут быть использованы одно- или трехфазные трансформаторы 220/12 В или 220/24 В. 59
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Схема подключения ВДТ непосредственно в сеть Схема подключения ВДТ через автотрансформатор 60
КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Колебания напряжения представляют собой кратковременные изменения напряжения, вызванные включениями мощных резкопеременных нагрузок: электродуговых сталеплавильных печей, сварочных агрегатов, вентильных преобразователей и др. ГОСТ 13109 -97 ограничивает значение и частоту колебаний напряжения только на зажимах осветительных ламп и радиоэлектронных приборов, однако они отрицательно сказываются и на работе других потребителей. Колебания напряжения характеризуются следующими показателями: размахом изменения напряжения, частотой изменения напряжения, интервалом между следующими друг за другом изменениями напряжения, а также дозой фликера. 61
КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Размах изменения напряжения Ut вычисляют по формуле где Ui, Ui+1 – значения следующих один за другим экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающей среднеквадратичных значений напряжений основной частоты, определенных на каждом полупериоде основной частоты (рисунок). Допускается при коэффициенте искажения синусоидальности напряжения, не превышающем 5 % определять Ut по формуле где UAi и UAi+1 – значения следующих один за другим экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающей амплитудных значений напряжений на каждом полупериоде основной частоты. 62
КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Колебания напряжения произвольной формы (а) и имеющие форму меандра (б) 63
КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Частоту повторения изменений напряжения при периодических колебаниях напряжения вычисляют по формуле m – количество изменений напряжения за время Т; Т – интервал времени измерения, принимаемый равным 10 мин. Интервал времени между изменениями напряжения ti, i+1 в секундах или минутах вычисляют по формуле где ti, ti+1 – начальные моменты следующих один за другим изменений напряжения, с, мин. Если интервал времени между окончанием одного изменения и началом следующего, происходящего в том же направлении, менее 30 мс, то эти изменения рассматривают как 64 одно.
КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Предельно допустимые значения размаха изменения напряжения Ut в точках общего присоединения к электрическим сетям при колебаниях напряжения, огибающая которых имеет форму меандра, в зависимости от частоты повторений изменения напряжения F Ut или интервала между изменениями напряжения ti, i+1 равны значениям, определяемым по кривой 1 (рисунок). Для потребителей ЭЭ с лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, предельные значения Ut определяются по кривой 2 (рисунок). 65
КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Предельно допустимые размахи изменений напряжения в зависимости от интервала между изменениями напряжения t 66
КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Предельно допустимое значение суммы установившегося отклонения напряжения Uу и размаха изменений напряжения Ut в точках присоединения к электрическим сетям 0, 38 к. В равно 10 % от номинального напряжения. Фликер – субъективное восприятие человеком колебаний светового потока ламп, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей источник. Доза фликера – мера восприимчивости человека к воздействую фликера за установленный промежуток времени. Фликер – это мерцание света, воздействующее на психику человека, а доза фликера – мера этого воздействия. Поскольку реакция нервной системы на мерцание света зависит не только от амплитуды, но и от частоты мерцаний, доза фликера определяется по двум этим параметрам в соответствии с эмпирическими данными, полученными при клинических исследованиях 67
КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера Рst при колебаниях напряжения равно 1, 38, а для длительной дозы фликера Рlt при тех же колебаниях напряжения равно 1, 0. Кратковременную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения 10 мин. Длительную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 2 часам. Предельно допустимые дозы фликера для потребителей с лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, равны 1, 0 и 0, 74 для кратковременной и длительной доз соответственно. Методика измерения дозы фликера приведена в ГОСТ 13109 -97. Требования к средствам измерения в ГОСТ 51317. 4. 15 -99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Технические требования и методы испытаний» 68
ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ ГОСТ 13109 -97 ограничивает значение и частоту колебаний напряжения только на зажимах осветительных ламп и радиоприборов. Это вызвано, прежде всего, тем, что колебания напряжения негативно воздействуют на зрение человека. Мигание осветительных ламп (фликер-эффект) вызывает неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма в целом, вследствие чего снижается производительность труда. Степень раздражения органов зрения зависит от величины и частоты мигания света. Установлено, что глаз человека наиболее чувствителен к мерцаниям света ламп накаливания с частотой, находящейся в пределах 3 -10 Гц. При этом глаз начинает ощущать эти мерцания, начиная с 0, 25 % номинального напряжения, а неприятные ощущения возникают при напряжении, равном 0, 4 % номинального. 69
ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Зависимость относительной чувствительности зрения от частоты колебаний напряжения 70
ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Степень воздействия колебаний напряжения на зрение зависит и от типа источника света. Например, при одинаковых колебаниях напряжения лампы накаливания оказывают значительно большее воздействие на зрение, чем газоразрядные лампы, т. к. последние менее чувствительны к колебаниям напряжения при указанных выше частотах, но более чувствительны при частотах свыше 20 Гц. Колебания напряжения более 10 % могут привести к погасанию газоразрядных ламп. Зажигание их в зависимости от типа ламп происходит через несколько секунд и даже минут. 71
ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Колебания напряжения отрицательно сказываются и на работе электрооборудования. При глубоких колебаниях напряжения (более 15 %) могут отпасть контакты магнитных пускателей, вызвав тем самым нарушения технологического процесса. Колебания напряжения с размахом 10 -15 % могут привести к выходу из строя конденсаторов, а также вентильных выпрямительных агрегатов. Колебания напряжения в сети, питающей дуговые сталеплавильные печи, приводят к увеличению длительности плавки. Заметное влияние оказывают колебания напряжения на АД небольшой мощности. Колебания не допустимы для текстильного, бумагоделательного и других производств, предъявляющих особенно высокие требования к точности поддержания частоты вращения электроприводов, в качестве которых обычно используются АД. 72
ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Установлено и влияние колебаний напряжения на электролизные установки. При производстве хлора и каустической соды колебания напряжения с размахом 5 % вызывают резкое увеличение износа анодов, нарушение нормальной работы отдельных технологических цехов и снижение производительности предприятия в целом. При относительно больших по частоте и размаху колебаниях напряжения срок службы электролизной установки снижается с 9 до 7 месяцев. Колебания напряжения оказывают существенное влияние на сварку. Это воздействие сказывается как на качестве самого сварочного процесса, так и на надежности работы схемы управления сваркой. На качество напряжения в сетях контактной сварки накладываются жесткие ограничения по размаху изменений напряжения: 5 % для сварки обычных сталей и 3 % для сварки титановых и жаропрочных сталей и сплавов. 73
СРЕДСТВА И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Для снижения влияния резкопеременных нагрузок, вызывающих колебания напряжения, используются различные методы. Наиболее просто цель достигается путем питания электроприемников с ударной нагрузкой от отдельных линий, подключаемых непосредственно к источнику питания, минуя цеховые подстанции. Совместное питание спокойной Iс и ударной Iу нагрузок от одного источника возможно применении сдвоенного реактора. При этом нагрузки подключают к различным секциям реактора. Применение данной схемы позволяет снизить колебания напряжения. 74
СРЕДСТВА И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Схема с использованием сдвоенного реактора 75
СРЕДСТВА И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Секции спокойной нагрузки 1 и ударной 2 включены встречно другу. Падение напряжения в каждой из них от токов Iс и Iу определяется по выражениям: где ХL – индуктивное сопротивление секции реактора; Км = М/ L – коэффициент взаимоиндукции, равный 0, 5… 0, 6. 76
СРЕДСТВА И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Для резкопеременных и спокойных нагрузок в сетях напряжением 6… 10 к. В применяют силовые трансформаторы с расщепленными обмотками. При этом к одной ветви обмотки низшего напряжения трансформатора подключают спокойную нагрузку, к другой ветви – резкопеременную. Эффективным средством снижения колебаний напряжения является применение синхронных двигателей и синхронных компенсаторов в режиме перевозбуждения, обладающих естественным регулирующим эффектом. Их применение позволяет повысить коэффициент мощности и уровень напряжения в сети, а также снизить уровень несимметрии и несинусоидальности напряжения, что объясняется уменьшением эквивалентного сопротивления обратной последовательности и сопротивлений на частотах гармоник. 77
СРЕДСТВА И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Колебания напряжения из-за толчков активной и реактивной нагрузок могут быть рассчитаны по выражению: Р и Q – изменения (набросы) активной и реактивной мощности; R и Х – активное и реактивное сопротивления на фазу; U – линейное напряжение. Приведенная формула может быть преобразована к виду: Sк – мощность КЗ в точке сети, в которой проверяются колебания напряжения; Z – полное сопротивление. 78
СРЕДСТВА И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ Учитывая, что активные сопротивления элементов системы электроснабжения значительно меньше, чем реактивные сопротивления, выражение можно упростить Таким образом, величина колебаний напряжения определяется толчком реактивной мощности и мощностью КЗ сети. Следовательно, для ограничения колебаний напряжения приемники с ударной (резкопеременной) нагрузкой надо подключать к сети с наибольшей мощностью КЗ. 79
НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ На предприятиях все в большей степени применяют вентильные преобразователи, установки однофазной и трехфазной электросварки, мощные электродуговые печи, вольт-амперные характеристики которых нелинейны. Такими же характеристиками обладают и силовые трансформаторы, мощные магнитные усилители, силовые полупроводниковые преобразователи. Характерной особенностью этого оборудования является потребление из сети несинусоидальных токов при подведении к их зажимам синусоидального напряжения. 80
НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ Несинусоидальные кривые токов можно рассматривать как сложные гармонические колебания, состоящие из совокупности простых гармонических колебаний различных частот. Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения на сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения, к нарушению качества электроэнергии в питающей сети, т. е. возникает проблема электромагнитной совместимости электроприемников с питающей их сетью. 81
НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ Нормирование показателей несинусоидальных режимов электроснабжения Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями: q коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Ku; q коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения Ku(n). Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения определяется как отношение действующего значения гармонического содержания несинусоидального напряжения к напряжению основной частоты: где Un – действующее значение напряжения n-й гармоники; n – номер последней из учитываемых гармоник. 82
НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ При подсчете Кu допускается не учитывать гармоники, величина которых менее 0, 1 %. Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения, тока 83
НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ 84
НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Высшие гармоники приводят к появлению дополнительных потерь в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Высшие временные гармоники тока вызывают дополнительные потери в обмотках электрических машин. Добавочные потери в стали машин малы и обычно ими пренебрегают. Основная часть добавочных потерь в синхронных машинах приходится на обмотку статора и демпферную систему. В асинхронных двигателях потери в обмотках статора и ротора примерно одинаковы. 85
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Кривые относительных потерь от высших гармоник в синхронных двигателях 86
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Отношение Рn/ Рном имеет наибольшее значение для гармоник низкого порядка, в первую очередь, второго и третьего. Потери от гармоник выше 13 -й малы и ими можно пренебречь. Суммарные потери Р п , определяемые всеми гармониками напряжения, определяются как Даже в случаях недопустимых искажений (Кu = 10… 15 %), добавочные потери от временных гармоник в СД с шихтованным статором и ротором не превосходят нескольких процентов номинальных потерь. Поэтому перегрев явнополюсных синхронных двигателей с шихтованными полюсами на практике не наблюдается. 87
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Потери от высших гармоник в СД с массивными полюсами оказываются значительно большими. То же самое относится к синхронным компенсаторам. Работа машин с массивными полюсами от несинусоидального напряжения опасна, так как может перегреться и выйти из строя обмотка возбуждения. Добавочные потери в АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ от тока n-й гармоники – активное сопротивление статора и приведенное активное сопротивление ротора на частоте гармоники n. 88
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ При повышенных частотах в обмотках статора и ротора резко проявляется поверхностный эффект и сопротивления увеличиваются, поэтому Для асинхронных двигателей высокого напряжения можно считать Расчетную формулу для определения суммарных потерь от высших гармоник можно представить в виде 89
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Относительные потери от высших гармоник в АД 90
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ Потери активной мощности от токов высших гармоник в трансформаторах подсчитываются по формуле 91
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ КОНДЕНСАТОРНЫЕ БАТАРЕИ В диэлектрике конденсаторов от несинусоидального напряжения появляются дополнительные активные потери 92
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Потери в LC фильтре слагаются из потерь в реакторе и потерь в конденсаторах на частотах гармоник, на которые настроен фильтр, и 1 -й гармоники. Величина потерь от тока n-ной гармоники может быть подсчитана по формуле Потери на основной частоте в батарее и реакторе где а = n/(n 2 -1); n –номер гармоники, на которую настроен фильтр. 93
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ УЧЕТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Зависимость погрешности счетчика индукционного типа от частоты 94
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СИЛОВЫЕ ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 95
Режимы работы силовых преобразователей Линейный режим (на примере регулятора напряжения постоянного тока) Структура линейного регулятора постоянного напряжения и его схема замещения. Зависимость к. п. д. преобразователя от регулируемого параметра 96
Режимы работы силовых преобразователей Импульсный режим (на примере регулятора напряжения постоянного тока) Структура импульсного регулятора постоянного напряжения. Временная диаграмма работы импульсного регулятора постоянного напряжения Выходное напряжение преобразователя U* - среднее значение напряжения u*(t) 97
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Источниками высших гармоник в системах электроснабжения являются электроприемники с нелинейными характеристиками. Типичной нелинейной нагрузкой являются вентильные преобразователи. Типичный вентильный преобразователь: мостовой трехфазный выпрямитель (схема Ларионова) 98
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Диаграмма тока фазы 99
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Искаженные кривые напряжения и тока питающей сети в процессе работы преобразователя имеют периодический характер, что позволяет производить их гармонический анализ наличием гармоник кратных основной частоте. Порядок высших гармоник определяется выражением где m – число фаз выпрямления; k = 1, 2, 3, …– последовательный ряд натуральных чисел. Для мостового преобразователя при симметричном управлении, у которого m = 6, в кривой питающего напряжения имеются нечетные гармоники, не кратные трем: n = 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, …. ; для 12 -фазной схемы n = 11, 13, 25, 37, …; для 24 -фазной схемы n = 23, 25, 47, 49, 71, 73 и т. д. 100
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Амплитуда n-й гармоники определяется выражением где активная составляющая тока гармоники 101
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК реактивная составляющая тока гармоники Em – амплитуда ЭДС питающей сети; Ψ = α + γ /2 – угол сдвига по фазе между кривыми ЭДС и 1 -й гармоники сетевого тока; Хк – сопротивление контура коммутации. 102
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Для первой гармоники Начальная фаза n–й гармоники определяется достаточно по формуле В практических расчетах Ψ удобно находить по выражению 103
104
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Кроме гармонического спектра фазных токов выпрямителя, определяемого схемой выпрямления, существуют так называемые «анормальные» или неканонические высшие гармоники с порядками, не соответствующими числу пульсаций выпрямления. Причинами возникновения неканонических гармоник являются: q отклонение углов управления вентилями от номинального значения; q питание вентильного преобразователя искаженной формой кривой напряжения; от сети с q питание вентильного преобразователя несимметрией напряжений. от сети с 105
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Мостовой преобразователь с несимметричным управлением На основе трехфазной мостовой схемы строятся различные преобразователи с улучшенными характеристиками. Например, полууправляемый мостовой преобразователь обеспечивает уменьшение в два раза фазового угла сдвига первой гармоники сетевого тока относительно напряжения 1 /2, где – угол управления вентилями. Такие преобразователи находят применение в нереверсивных электроприводах, в системах возбуждения синхронных машин, в сварочных агрегатах и др. Несимметричное управление вентилей анодной и катодной групп вызывает появление в фазных токах как нечетных, так и четных гармоник. 106
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Амплитуды высших гармоник фазных токов можно подсчитать по формулам При питании от общих шин двух одинаковых несимметричных мостовых преобразователей, целесообразно включать управляемые вентили в одном преобразователе в анодную группу, в другом – в катодную. Четные гармоники в сетевом токе в этом случае компенсируются. 107
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Тиристорные регуляторы мощности Однофазный тиристорный регулятор мощности с фазоимпульсным управлением тиристорами 108
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Гармонический спектр тока регулятора мощности в зависимости от угла управления тиристорами α 109
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Для приближенного расчета высших гармоник тока, потребляемого печью с тиристорным регулированием режимов 110
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Силовые трансформаторы Являются источниками высших гармоник намагничивающего тока. За счет несимметрии магнитопровода трехфазных трехстержневых трансформаторов действующие значения намагничивающих токов крайних фаз в 1, 3… 1, 35 раза больше намагничивающего тока средней фазы. Поэтому в намагничивающих токах имеются все нечетные гармоники. Наибольшие, кроме первой, – это 3, 5, 7 гармоники. Действующие значения гармоник намагничивающих токов фаз Iпф находят как где I – номинальное значение намагничивающего тока. 111
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК При отклонениях напряжения на зажимах трансформатора от номинального на V (%) гармоники намагничивающего тока пересчитывают 112
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Газоразрядные лампы Находят широкое применение в промышленных и городских осветительных сетях. Их удельный вес достигает 75… 80 %. Нелинейность ВАХ цепи дугового разряда ламп является причиной искажения кривой тока, потребляемого из сети. 113
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК 114
ИСТОЧНИКИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Процентное содержание высших гармоник тока ламп 115
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Улучшение формы кривой сетевого тока Одним из перспективных способов снижения несинусоидальности в электрических сетях является улучшение формы кривой сетевого тока вентильных преобразователей. Этого можно достичь компенсацией высших гармоник, наложением токов 3, 9, 15 -й и гармоник более высоких порядков на токи обмоток трансформатора или обеспечением специальных законов управления преобразователями 116
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Увеличение числа фаз преобразователей Наибольшее распространение имеет способ улучшения гармонического состава сетевого тока вентильного преобразователя с помощью применения сложных многомостовых схем преобразователей, обеспечивающих 12, 18, 24 и более фазное выпрямление. Например, для 12 -фазной схемы выпрямления удается компенсировать 5, 7, 19 и другие высшие гармоники. Необходимо учитывать, что эффект от снижения уровней высших гармоник в многофазных схемах проявляется при одинаковой загрузке преобразователей и симметрии систем фазового управления вентилями. 117
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Схема двенадцатипульсного выпрямителя 118
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Снижение уровней гармоник средствами питающей сети Достигается в основном рациональным построением системы электроснабжения, при котором обеспечивается допустимый уровень гармоник напряжения на шинах потребителя. Наиболее распространенными средствами являются применение трансформаторов преобразователей с повышенным напряжением; питание нелинейных нагрузок от отдельных трансформаторов или подключение их к отдельным обмоткам трехобмоточных трансформаторов; подключение параллельно нелинейным нагрузкам синхронных и асинхронных двигателей. 119
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Силовые резонансные фильтры энергетического назначения Силовые резонансные фильтры высших гармоник (фильтрокомпенсирующие устройства - ФКУ), наряду со снижением уровней высших гармоник генерируют в питающую сеть реактивную мощность. При определенных условиях такие фильтры могут использоваться также для симметрирования системы линейных напряжений в электросети. Фильтры могут устанавливаться для разделения линейных и нелинейных нагрузок (заградительные фильтры) или для шунтирования (поглощения) токов высших гармоник. 120
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Схема включения фильтров 5, 7, 11 и 13 -й гармоник 121
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Звено фильтра представляет собой контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости, настроенных на частоту определенной гармоники. Сопротивление звена фильтра токам высших гармоник: Параметры каждой резонансной ветви фильтра определяются из условия На частоте одной из гармоник индуктивное сопротивление реактора становится равным емкостному сопротивлению батареи конденсаторов, и в цепи звена фильтра возникает резонанс напряжений. При этом сопротивление звена току резонансной частоты равно нулю и оно шунтирует электрическую систему на этой частоте. 122
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Схема фильтрокомпенсирующего устройства 123
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК По этой схеме разработаны и выпускаются серии комплектных силовых резонансных фильтров 5, 7, 11, 13 гармоник для сетей 6 - 10 к. В мощностью 1200 к. ВАр для 5 и 7 гармоник и мощностью 800 к. ВАр для 11 и 13 гармоник. Применение фильтров целесообразно, когда требуется не только улучшить гармонический состав напряжения сети, но и скомпенсировать реактивную мощность в рассматриваемом пункте системы электроснабжения. 124
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Суммарная реактивная мощность ФКУ на основной частоте определяется из выражения Реактивная мощность, генерируемая гармоники на основной частоте, равна фильтром n-ной – напряжение основной гармоники линейного напряжения сети. 125
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Зависимость реактивной мощности, потребляемой реактором в функции от угла управления вентилями, равна где ХL – индуктивное сопротивление реакторов на одну фазу. Кроме резонансных L-С цепей, настроенных на соответствующие гармоники, в состав фильтра может входить батарея конденсаторов Сф, предназначенная для подавления гармоник, номера которых выше тех, что подавляются резонансными фильтрами. 126
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Схема фильтрокомпенсирующего устройства Выражение для определения мощности батареи конденсаторов для тока n-ной гармоники: - при соединении конденсаторов в треугольник; - при соединении конденсаторов звездой; Inф – линейный ток n-ной гармоники в цепи ФКУ; Uном. ф – номинальное напряжение батареи конденсаторов ФКУ. 127
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Однолинейная схема включения фильтра. Фильтр включается параллельно нагрузке и вызывает перераспределение токов. Фильтры комплектуются из серийно выпускаемого оборудования. 128
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК 129
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Параллельная работа силовых фильтров высших гармоник Часто возникает необходимость установки нескольких фильтров одной гармоники, включенных параллельно, если расчетный ток гармоники в сети значительно превышает наибольший номинальный ток фильтра и если при небольшом значении тока фильтруемой гармоники необходимость установки параллельно включенных фильтров обусловлена повышением общей мощности компенсирующих устройств. Параллельная работа фильтров высших гармоник имеет свои особенности. Если параметры фильтров имеют отклонения от резонансной настройки, то токораспределение фильтруемой гармоники в них нарушается, что может привести даже к аварийной ситуации. 130
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Схема замещения двух фильтров (включенных параллельно) в системе электроснабжения. R 1, R 2 – активные сопротивления цепей фильтров; xcn, Iсn – индуктивное сопротивление и ток n-й гармоники питающей системы; In – суммарный ток n-й гармоники, генерируемый всеми вентильными преобразователями в питающую сеть; х. L 1, х. L 2, хс1, хс2 – индуктивные и емкостные сопротивления первого и второго фильтров; Iф1, Iф2 – токи фильтров первого и второго соответственно. 131
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК 1. При отклонении даже одного параметра фильтра (индуктивности или емкости) токораспределение в фильтрах нарушается. Например, при отклонении индуктивности первого фильтра на 15 % в сторону увеличения ток фильтруемой гармоники в нем уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с нормальным режимом резонансной настройки фильтров, а ток во втором фильтре увеличивается в 2 раза. Второй фильтр перегружается током гармоники, а первый недоиспользуется. В сети протекает ток 0, 227 In, в 1, 8 раза больший, чем в нормальном режиме резонансной настройки, т. е. качество фильтрации значительно ухудшается. 132
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК 2. При отклонении параметров фильтров в одну и ту же сторону от резонансной настройки наблюдается значительная перегрузка обоих фильтров током гармоники и существенное ухудшение фильтрации. Например, при увеличении емкостного сопротивления каждого фильтра на 10 % оба фильтра оказываются перегруженными током фильтруемой гармоники в 1, 9 раза по сравнению с нормальным режимом, и в то же время в сети протекает ток почти целой гармоники (0, 936 In). В этом режиме само применение фильтров теряет всякий смысл, так как оба фильтра перегружены током гармоники и почти отсутствует фильтрация. 133
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК 3. Более тяжелые режимы работы фильтров возникают при отклонении их параметров от резонансной настройки в разные стороны. Так например, при отклонении в первом фильтре на +20 % от характеристического сопротивления (сопротивление идеального фильтра), а во втором фильтре на -10 %: ток гармоники в первом фильтре увеличился более чем в 1, 6 раза, во втором – в 3, 2 раза, а в сети проходил ток, равный 1, 59 In , т. е. больший ток гармоники, чем проходящий в сети при отсутствии фильтров. Такое увеличение тока фильтруемой гармоники при подключении к шинам подстанции параллельных рассогласованных фильтров называется режимом антифильтрации. 134
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК Радикальным средством, предотвращающим возникновение таких режимов, предлагается метод, обеспечивающий нормальное токораспределение и равномерную загрузку элементов фильтра током гармоники и значительно улучшающий фильтрующую способность параллельных фильтров. Метод заключается в соединении точек фильтров перемычкой, имеющей малое, принимаемое равным нулю, активное сопротивление. 135
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ГАРМОНИК 1. 2. В режимах, характеризующихся отклонением значений параметров одного элемента параллельных фильтров от номинального значения или отклонением параметров обоих фильтров от резонансной настройки в одну и ту же сторону (в емкостную или индуктивную), схема с «перемычкой» не улучшает существенно качество фильтрации, но обеспечивает выравнивание и равномерность токовой загрузки элементов фильтров. В режимах разнознакового разбаланса фильтров от резонансной настройки проявляются преимущества схемы с «перемычкой» . Наряду с выравниванием токораспределения в фильтрах происходит существенное уменьшение их загрузки током гармоники и значительное улучшение качества фильтрации. 136
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ В настоящее время проблема высших гармоник является одной из важных частей общей проблемы электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей электрической сетью. Перед проектными и эксплуатационными организациями стоят задачи достоверного определения несинусоидальности напряжения, спектрального состава и уровня гармоник тока и напряжения с целью их ограничения. Ограничение несинусоидальности напряжения с наибольшей эффективностью может быть достигнуто на стадии проектирования электроснабжения предприятий, но требует дополнительных затрат. Поэтому такое ограничение является и технико-экономической проблемой, которую нельзя решать в отрыве от задачи компенсации реактивной мощности. Это объясняется тем, что компенсирующие устройства с емкостной схемой замещения (например, конденсаторные батареи, фильтры высших гармоник) в сочетании с индуктивным сопротивлением питающей сети могут приводить к резонансу в сети на высокой частоте, а следовательно, к увеличению отдельных гармоник тока и напряжения до недопустимой величины. 137
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Метод расчета несинусоидальности напряжения по коммутационным искажениям при работе вентильных преобразователей 138
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Методика расчета коэффициента несинусоидальности Ku основывается на вычислении в любой точке питающей сети действующих значений коммутационных искажений напряжения, что равносильно учету всех высших гармоник. Следовательно, для определения Ku при работе вентильных преобразователей нет необходимости определять уровни отдельных гармоник. Кроме того, при несимметричном управлении преобразователем из-за несимметрии гармоник сетевых токов оценка Ku по выражениям, основным на значениях гармоник тока, сопряжена со значительными погрешностями. Использование данного метода позволяет избежать ошибки, возникающей при учете только определенного числа высших гармоник. 139
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Зависимость Ku=f( ) при учете различного числа высших гармоник для 6 -фазной схемы выпрямления 140
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Зависимость Ku=f( ) при учете различного числа высших гармоник для 12 -фазной схемы выпрямления преобразователя 141
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Расчеты несинусоидальности напряжения питающей сети обычно выполняются при проектировании систем электроснабжения или электропитания, поэтому необходимы соотношения между углом управления α и углом коммутации γ преобразователя. где – угол сдвига между первой гармоникой напряжения, приложенного к преобразователю, и первой гармоникой тока, потребляемого преобразователем. Тогда можно записать 142
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Для углов и γ существует соотношение После преобразований и упрощений формула получает простой вид для угла коммутации при работе преобразователей с любой последовательностью чередования фаз 143
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Общий коэффициент несинусоидальности питающей сети при работе вентильных преобразователей с некоторыми упрощениями и с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть определен по формуле При определении Ku особое внимание необходимо обратить на Xпр. Чаще всего Ku требуется определить на шинах питания мощных тиристорных преобразователей. Под преобразователем подразумеваются выпрямительный мост (или их группа) и питающий понижающий силовой трансформатор. 144
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ В этом случае Xпр равно сопротивлению преобразовательного трансформатора и определяется по формуле 145
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Инженерный (упрощенный) метод расчета составляющих гармонического спектра вентильных преобразователей Упрощающим и вносящим некоторую погрешность допущением в приближенном методе расчета является допущение прямоугольности формы коммутационных искажений. Ошибка, вызванная этим допущением, зависит от углов управления и коммутации γ. Чем меньше угол и больше угол γ, тем больше погрешность в определении гармоник напряжения и тока. В общем случае для управляемых выпрямителей эта ошибка не превышает 10 %, что вполне допустимо для практических расчетов. 146
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Действующее значение высшей гармоники напряжения в любой точке питающей сети при работе преобразователя с любой последовательностью чередования фаз выпрямления может быть определено по формуле Действующее значение тока любой гармоники в цепи преобразователя определяется из выражения 147
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Номограммы для определения отдельных гармоник напряжения при работе вентильных преобразователей 148
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ q Для определения действующего значения n-й гармоники напряжения необходимо по формуле найти угол коммутации γ q Для найденного значения γ по кривой, соответствующей n-й гармонике, определяется коэффициент , после чего действующее значение n-й гармоники определяется из выражения где - есть глубина основного коммутационного искажения в отн. ед. ; 149
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Определение коэффициента несинусоидальности при работе группы преобразователей При работе группы вентильных преобразователей порядок расчета следующий. По приведенным формулам или по номограммам определяются уровни высших гармоник напряжения для каждого преобразователя, а также их углы q Одинаковые гармоники напряжения всех преобразователей геометрически суммируются где k – число одинаковых гармоник преобразователей. 150
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ q Коэффициент несинусоидальности группы работающих преобразователей затем определяется по формуле где р – число групп одинаковых гармоник. Необходимо обращать особое внимание на количество учитываемых гармоник. Чем больше количество преобразователей и фаз выпрямления, тем большее количество гармоник необходимо учитывать. С этой целью предлагается следующая эмпирическая формула 151
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ 152
Скачать презентацию Кафедра Электроснабжения промышленных предприятий Дисциплина Качество электрической энергии
KEE_1v8.pptx