Контроллеры компенсации реактивной мощности

Применение активных фильтров гармоник

Активный фильтр гармоник АФГ (Active Harmonic Filter) подключается параллельно нелинейной нагрузке (рис. 3). В ряде источников можно встретить также название «активный кондиционер гармоник, АКГ».

Рис. 3. Схема включения активного кондиционера гармоник

Принцип действия АФГ основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АФГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Ток нелинейной нагрузки содержит основную (i₁) и высшие (i_n) гармоники:

АФГ содержит противофазные току нагрузки высшие гармоники:

В результате ток, потребляемый от источника, практически синусоидален, так как содержит только основную (первую) гармонику:

Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а АФГ покрывает практически весь спектр высших гармоник от 2-й до 25-й. АФГ может быть установлен в любой точке распределительной сети и способен компенсировать высшие гармоники от одной или нескольких нелинейных нагрузок. Модели АФГ, выпускаемые MGE UPS SYSTEM под названием SineWave, могут обеспечить компенсацию действующих значений высших гармоник от 20 до 120 А .

На рис. 4 изображены кривые токов в системе с АФГ при работе на нелинейную нагрузку типа ИБП с трехфазным мостовым выпрямителем.

Рис. 4. Кривые токов в системе с АФГ: a) ток нагрузки; б) ток АКГ; в) ток источника

Связь между действующими значениями токов нагрузки и источника устанавливается следующим выражением:

В первом приближении можно считать, что действующие значение тока АФГ, необходимое для компенсации высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой в распределительную систему, определяется следующим соотношением:

Повышенное значение тока, получаемое из выражения (19), объясняется тем, что АФГ практически обеспечивает компенсацию гармоник не выше 25-й и может быть настроен на компенсацию гармоник ниже указанного порядка, тогда как в составе тока нагрузки могут присутствовать гармоники более высокого порядка.

Рис. 5. Структурная схема АФГ (условно изображена силовая цепь одной фазы)

Структурная схема АФГ приведена на рис. 5. В состав АФГ входят следующие узлы: IGBT-преобразователь, устройство управления и контроля, блок защиты и «мягкого» пуска и токовые датчики. Преобразователь АФГ содержит трехфазный преобразователь на IGBT-транзисторах, коммутируемых с тактовой частотой 16 кГц, два конденсатора С1, С2 и линейные дроссели в каждой фазе (Др1). Устройство управления и контроля состоит из блока анализа гармоник тока, блока установки номеров компенсируемых гармоник, блока управления преобразователем и мониторинга.

На анализатор гармоник поступают сигналы с быстродействующих датчиков тока нагрузки (ДТ1) и тока АФГ (ДТ2). Блок защиты и «мягкого» пуска содержит быстродействующие предохранители и с помощью контактора и балластного сопротивления обеспечивает плавный заряд конденсаторов С1, С2 в период включения АФГ. Применение АФГ обеспечивает значительное снижение коэффициента амплитуды тока в распределительной сети по сравнению с существующими коэффициентами тока нелинейных нагрузок. Это, в свою очередь, способствует увеличению коэффициента мощности системы и уменьшению потерь на участках распределительной сети.

Для чего нужна установка компенсации реактивной мощности?

Как известно из курса электротехники, электрическая энергия бывает двух видов: активная и реактивная. Активная — это та энергия, которая потребляется (преобразуется) из одного вида в другой и выполняет какую-либо полезную работу. Например, крутит вал электродвигателя, нагревает нагревательный элемент, преобразуется в световой поток и освещает что-нибудь. Реактивная энергия — это энергия, которая циркулирует от источника к потребителю и назад. Она не потребляется, а возвращается назад в источник, чем оказывает паразитное воздействие на электрическую сеть.

Казалось бы, что плохого в реактивной энергии? Ну, носится она туда-сюда, что с неё взять? Однако, нужно понимать, что чем её больше, тем меньше активной энергии передается от источника к потребителю, потому что провод в зависимости от сечения имеет ограничения на передачу тока. Следовательно, выполняется меньше полезной работы, то есть коэффициент полезного действия питающей линии уменьшается. Пропускать по питающей линии больше энергии — нужно увеличивать сечение провода, а это дорого. Поэтому самый лучший вариант — избавиться от реактивной энергии совсем.

Есть несколько способов это сделать. Один из них — установка устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ). Это самый простой и дешевый способ поднятия КПД питающей линии. Суть его заключается в том, что у потребителя устанавливаются батареи конденсаторов, которые являются накопителями электроэнергии. Как известно, потребители электроэнергии имеют активно-индуктивный характер, т. е. состоят из активных потребителей (например, нагреватели) и активно-индуктивных (обмотки трансформаторов, катушки реле, электродвигатели — провода в них тоже нагреваются). Так же известно, что при таком характере нагрузке ток отстает он напряжения на угол от 0 до 90 градусов. Проще говоря, когда напряжение на нагрузке уже достигло максимума (амплитудного значения), ток еще не успел этого сделать и достигнет максимума чуть позже, когда величина напряжения будет уменьшаться. Идеальным вариантом является ситуация, когда ток без опоздания от напряжения появляется на нагрузке и точь-в-точь повторяет форму напряжения. Это характерно для чисто активной нагрузки.

Если к индуктивности ток бежит неохотно, то к ёмкости он бежит вперед напряжения. Ток обожает ёмкость. Поэтом, чтобы «приманить» ток к нагрузке, и устанавливают конденсаторные батареи. К ним ток бежит охотнее, работает — не ленится, поэтому КПД линии повышается.

Это свойство и используют для того, чтобы скомпенсировать реактивную энергию. Сама конденсаторная установка — простейшее устройство, состоящее из конденсаторов, которые подключаются параллельно друг другу. Подключаются они могут все сразу — тогда конденсаторная установка является не регулируемой — или в определенной последовательности, в зависимости от набора емкостей. Каждый набор называют ступенью. Ступени предназначены для дробления общей емкости УКРМ и чем их больше, тем точнее УКРМ позволяет регулировать коэффициент мощности.

Если УКРМ регулируемая, то в её составе есть специальный контроллер, которому для поддержания нужного коэффициента мощности требуется информация о напряжении и токе нагрузки. Зная напряжение и ток, контроллер вычисляет рассогласование между ними (отставание или опережение тока от напряжения), а это и есть коэффициент мощности или COS φ. По величине рассогласование контроллер определяет сколько ступеней подключить или отключить, чтобы добиться заданной величины COS φ. Вот так вот всё просто и не затейливо.

Компенсация реактивной мощности

Как следует из выражения (11), один из факторов повышения эффективности оборудования — это увеличение коэффициента мощности. Последний, как следует из (4), зависит от фазового сдвига (φ₁) между первыми гармониками напряжения и тока. Электрические потребители индуктивного характера (например, индукционные электродвигатели) потребляют из сети не только активную, но и индуктивную реактивную мощность, величина которой пропорциональна sinφ₁. Появление этой составляющей мощности приводит к увеличению действующего значения тока, потребляемого из сети, и, как следствие, — к увеличению потерь в кабелях, трансформаторах и других распределительных устройствах систем гарантированного питания. Кроме того, увеличиваются общие расходы на электроэнергию. Поэтому необходимо предусматривать меры по снижению реактивной мощности, потребляемой из сети. Этого можно достигнуть на основании (3) с помощью подключения определенной емкостной нагрузки — конденсаторов, которые снижают суммарную реактивную мощность, потребляемую из сети. Устройства, обеспечивающие компенсацию реактивной мощности и, следовательно, повышающие коэффициент мощности оборудования, получили название компенсаторов реактивной мощности (КРМ).

Ступенчатые КРМ переключают секции конденсаторных батарей, обеспечивая оптимальную компенсацию реактивной мощности. В зависимости от используемых коммутаторов КРМ делятся на релейные (контакторные) и тиристорные.

Рис. 1. Принципиальная схема ступенчатого КРМ

На рис. 1 представлена схема трехфазного контакторного КРМ с 4 секциями при соединении конденсаторов в «треугольник». Возможна реализация трехфазных КРМ путем соединения конденсаторов фаз в «звезду», однако это приводит к необходимости использования конденсаторов большей емкости. Количество секций может достигать 12 и более, они подключаются вручную или автоматически. При работе в режиме автоматического регулирования подключение и отключение конденсаторных ступеней производится автоматически, что обеспечивает наиболее высокий коэффициент мощности.

При работе в режиме ручного регулирования подключение и отключение ступеней производит оператор, что позволяет установить необходимый коэффициент мощности. Установка КРМ состоит из следующих частей:

• конденсаторные батареи, соединенные по схеме «треугольник» с разрядными резисторами (С);
• контакторы с дополнительной контактной группой, обеспечивающей предварительный заряд конденсаторов (КМ);
• предохранители (FU);
• автоматический выключатель (QF);
• регулятор коэффициента мощности (контроллер).

Коммутация трехфазных конденсаторов производится быстродействующими контакторами с малым дребезгом контактов. Дополнительная группа контактов таких контакторов замыкается раньше основной группы, что ограничивает и демпфирует броски пускового тока за счет подключения зарядных резисторов.

В зависимости от вида исполнения в КРМ могут использоваться конденсаторы, наполненные инертным газом или пожаробезопасной смолой. Разрядные резисторы обеспечивают разряд конденсатора до напряжения менее 75 В за время не более 60–90 с.

Резонансные явления на частотах высших гармоник

При наличии высших гармоник в электрических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами, каковыми можно представить оборудование распределительных сетей системы электропитания, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока или напряжения эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники на том же участке цепи. Это отрицательным образом может сказаться на работоспособности отдельных устройств системы. Так, одним из факторов, влияющих на качество напряжения питания, является возможный резонанс токов на участке «силовой трансформатор ТП – компенсатор реактивной мощности (КРМ)», подключенный к шинам низкого напряжения силового трансформатора. Значение гармоники, на которой может возникнуть резонанс токов, можно определить из соотношения:

где S_тр — номинальная мощность трансформатора, кВА; Q_КРМ — реактивная мощность включенных ступеней КРМ, кВА_р; u_кз — относительное значение напряжения короткого замыкания трансформатора.

При питании электроустановок от ТП с трансформатором мощностью 1000 кВА и КРМ, каждая секция которой составляет 60 кВА_р, резонанс токов может наступить при работе двух секций КРМ на частоте 550 Гц, соответствующей 11-й гармоники промышленной частоты. Именно эта гармоника присутствует в составе входного тока трехфазного ИБП с 12-полупериодным выпрямителем. При включенных секциях КРМ амплитуда 11-й гармонике увеличивается более чем в 2,5 раза . Коэффициент 11-ой гармоники напряжения питания при этом будет превышать 5,5%, в то время как по требованиям стандарта предельно допустимое значение этого показателя качества не должно превышать 5,25%.

При пониженных мощностях силового трансформатора ТП, например 100 кВА, и одной включенной секции КРМ резонанс токов может возникнуть на 5-й гармонике, характерной составляющей во входном токе трехфазных ИБП с 6-полупериодным выпрямителем .

Для снижения риска возникновения резонансных явлений в КРМ устанавливаются антирезонансные дроссели последовательно с конденсаторными батареями . Антирезонансные дроссели обладают большим сопротивлением на частоте высших гармоник тока, и индуктивный характер сопротивления КРМ на частоте высшей гармоники обуславливает то, что резонансный контур в цепи КРМ — индуктивное сопротивление силового трансформатора не образуется. Рассогласованные конденсаторные секции КРМ предотвращают увеличение гармонических составляющих тока и напряжения, исключая резонансные явления. Резонансная частота последовательного контура, образованного антирезонансным дросселем и конденсаторной батареей, лежит ниже частоты 5-й гармоники. Методика выбора параметров антирезонансного дросселя достаточно полно отражена в .

Таким образом, режим работы КРМ и выбор типа ИБП связаны с вопросами ЭМС в системах гарантированного питания и требуют детального изучения еще на стадии проектирования системы.

Возможно, вам также будет интересно

В Европе принято множество директив, касающихся конструкции источников питания (ИП) и обеспечивающих соответствие их стандартам Европейского комитета по стандартизации (European Norms, EN). В основе европейских нормативов лежат, главным образом, стандарты Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Committee, IEC), на территории России действует их дословный перевод. За последние годы число стран — членов МЭК возросло, эти государства адаптируют стандарты МЭК, привнося в них свою национальную

Введение Энергосберегающие государственные стандарты и снижение системных расходов — это главные движущие силы разработки более эффективных силовых ключей . Разработчики вынуждены тщательно выбирать правильный ключ для соответствия обоим требованиям. В системах большой мощности (>5 кВт) обычно принято использовать IGBT или биполярные транзисторы. В маломощных (<2 кВт) системах на напряжения ниже 1000 В, с широким диапазоном входного напряжения и нагрузки, а также высокой частоте коммутации (>150 кГц), обычно предпочтение отдавалось полевым МОП-транзисторам. В импульсных источниках

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе повышенной частоты для индукционного нагрева металлов

В статье рассмотрены вопросы проектирования быстродействующей защиты от аварийных режимов тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ), в частности — разработка для них бесконтактного тиристорно-конденсаторного выключателя (ТКВ). Во второй части статьи проведено исследование коммутирующей способности устройства защиты, приведена схемотехническая модель ТКВ
и интервалы работы устройства защиты ТПЧ. Кроме того, рассмотрены особенности применения силовых
тиристоров и диодов в ТПЧ и ТКВ.

Проверка работы регулятора

Теперь нужно проверить правильность настроек и алгоритма работы. Для этого нужен источник тока и напряжения с регулируемым углом между ними. Для таких целей вполне подойдет Ретом-21 или что-то аналогичное. Начнем с подключений:

Задаем 100 В в измерительный канал напряжения и около 2 А в измерительный канал тока. Угол между напряжением и током должен быть +90°, так как . Это состояние будет соответствовать COS φ = 1.

Проверка правильности подключения

Вращая фазорегулятор и наблюдая за показаниями на дисплее регулятора NOVAR 1214 убедиться:

• Максимальное значение активная мощность принимает при углах +90° и -90° (270°), а реактивная мощность стремиться к нулю;
• В этих же точках COS φ = 1;
• При +90° активная мощность имеет положительный знак, а при -90°(270°) — отрицательный, и загорается светодиод «Экспорт»;
• В точках 0° и 180° активная мощность — минимальна, реактивная мощность — максимальна;
• COS φ = 0;
• При 0° реактивная мощность — положительна (или с индексом «L»), а при 180° — отрицательна (или с индексом «С»). Такое обозначение знака, не характерное для электротехники, принято в регуляторе.

Если всё так, то проверяем работу алгоритма.

Проверка работы регулятора с действием на ступени

Проделаем следующие шаги:

1. Устанавливаем значение напряжения 100 В, тока — 2 А;
2. Выставляем по дисплею регулятора COS φ = 0.9;
3. Медленно вращая фазорегулятор в сторону уменьшения косинуса (угол стремится к 0°) находим момент, когда начинает моргать светодиод «ИНДУКТИВНОСТЬ«. Фиксируем значение этого угла. Моргание светодиода говорит о том, что мы вышли из зоны, когда половина наименьшей ступени конденсатора могла бы скомпенсировать COS φ;
4. Вращаем регулятор далее к уменьшению косинуса (угол стремится к 0°), находим момент, когда светодиод «ИНДУКТИВНОСТЬ» начинает светиться ровным светом. Засекаем угол и время. Через время, равное , должна сработать одна из ступеней, как правило — первая.
5. Дожидаемся, когда включатся последовательно все ступени, каждая по истечении ;
6. Вращая фазорегулятор в сторону увеличения COS φ (угол стремится к 90°), достигаем момента, когда начинаем моргать светодиод «ЕМКОСТЬ«. Светодиод «ИНДУКТИВНОСТЬ» погаснет во время увеличения угла. Фиксируем угол и засекаем время. Ступени должны начать отключаться последовательно по истечении .
7. Увеличивает ток до 4 А;
8. Выставляем по дисплею регулятора COS φ = 0.9;
9. Медленно вращая фазорегулятор в сторону уменьшения косинуса (угол стремится к 0°) находим момент, когда начинает моргать светодиод «ИНДУКТИВНОСТЬ«. Значение этого угла должно быть меньше, чем в пункте 3.
10. Вращаем регулятор далее к уменьшению косинуса (угол стремится к 0°), находим момент, когда светодиод «ИНДУКТИВНОСТЬ» начинает светиться ровным светом. Угол и время срабатывания должны быть меньше, чем в пункте 4.
11. Дожидаемся, когда включатся последовательно все ступени;
12. Вращая фазорегулятор в сторону увеличения COS φ (угол стремится к 90°), достигаем момента, когда начинаем моргать светодиод «ЕМКОСТЬ«. Угол должен быть меньше, а время — такое же как и в п. 6.

Ниже приведена диаграмма срабатывания регулятора в зависимости от угла между током и напряжением.

Предложенная далее проверка не является догмой. Вы можете сами определить достаточность мер для проверки, уменьшить их или увеличить. В любом случае, если Вы поделитесь своими мыслями и аргументами — это только улучшит нашу методику.

Основные энергетические показатели в электрических цепях

Энергетические показатели систем гарантированного электропитания характеризуют эффективность использования и потребления электрической энергии.

Полная мощность (S) характеризует величину загруженности сети оборудованием, равна произведению действующих значений напряжения и тока:

и определяется тремя составляющими мощности:

где P — активная мощность (Вт), Q — реактивная мощность (ВА_р), Т — мощность искажения (ВА). Для линейных нагрузок имеем Т = 0.

Реактивная мощность (Q) в общем случае представляет собой разность индуктивной и емкостной реактивных мощностей:

Коэффициент мощности (К_р) характеризует эффективность потребления энергии и представляет отношение активной мощности к полной:

где φ₁ — фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока, К_ни — коэффициент нелинейности:

где I₁ — действующее значение первой (основной) гармоники тока, I — действующее значение несинусоидального периодического тока:

I_n — действующее значение n-ой гармоники тока, n — порядок высшей гармоники тока.

Коэффициент искажения синусоидальности характеризует степень отклонения формы периодической кривой тока от синусоидальной.

По определению ГОСТ 13109-97 имеем:

Без учета гармонических составляющих, значения которых менее 0,1%, допускается расчет коэффициента искажения по следующему выражению:

Коэффициент нелинейности, влияющий на значение коэффициента мощности, может быть представлен через коэффициенты искажения синусоидальности:

Коэффициент полезного действия характеризует эффективность использования оборудования и представляет отношение выходной активной мощности к входной:

Энергетический коэффициент — обобщенный показатель эффективности оборудования: