научная статья по теме Аналитический обзор фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) высших гармонических составляющих напряжения и тока Биология

Текст научной статьи на тему «Аналитический обзор фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) высших гармонических составляющих напряжения и тока»

ЭНЕРГЕТИКА ENERGETICS

Б01: 10.12731Awsd-2015-6.1-22 УДК 621

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ (ФКУ) ВЫСШИХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Асфандияров И.Х.

Применение в электроприводах механизмов городского хозяйства систем, включающих пару «преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель», неизбежно приводит к ухудшению качества напряжения питания в результате увеличения уровня высших гармонических составляющих. Наличие последних влечет за собой повышение действующих значений напряжения и тока, что в свою очередь приводит к срабатыванию защит, отключению потребителей и ухудшению энергетических показателей работы энергосистем. Целью данной работы является обзор и анализ функционирования применяемых в настоящее время фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) для снижения влияния на сети высших гармонических составляющих. Рассмотрены случаи применения линеаторов, пассивных фильтров, схем 12-ти и 18-

ти пульсных выпрямителей, а также параллельных активных фильтров (ПАФ) комплексного действия, обеспечивающих не только коррекцию формы кривых тока и напряжения, но и компенсацию реактивной мощности. Установлено, что для улучшения качества напряжения в сетях

0,4 кВ необходимо применение специальных фильтрокомпенсирующих устройств, выбор типа и мощности которых должен производиться для каждого конкретного случая индивидуально, исходя из условий получения оптимальных технико-экономических показателей.

Ключевые слова: фильтрокомпенсирующее устройство; высшие гармоники; преобразователь частоты; выпрямитель.

ANALYTICAL REVIEW OF FILTER-COMPENSATING DEVICES (FCD) OF THE HIGHER HARMONIC COMPONENTS OF VOLTAGE AND CURRENT

Asfandiyarov I.Kh.

The use in electric drives of municipal services systems, including a couple of "frequency converter - asynchronous induction motor", will inevitably lead to a deterioration in the quality of the supply voltage by increasing the level of the higher harmonic components. The presence of them leads to an increase in operating voltage and current, which in turn leads to an atuatuion of the protection, blackouts and poor in energy performance of power systems. The aim of the article is to make a review and analyze the functioning of the currently used filter-compensating devices (FCD) to reduce the impact on the network of higher harmonic components. We analyze line application, passive «RLC» filter, circuits 12 and 18-pulse rectifier and parallel active filter (PAF) integrated action to ensure not only the correction of the shapes of the current and voltage, and compensation of reactive power. It was found that to improve the quality of voltage of 0.4 kV networks it requires the use of special filter-devices, the choice of type and capacity which should be carried out for each case individually, based on the conditions for obtaining optimum technical and economic indicators.

Keywords: filter-compensating device; higher harmonics; frequency inverter; rectifier.

В настоящее время, по целому ряду причин, в электроприводах механизмов городского хозяйства (насосы котельных установок, лифты и т.д.) стали все чаще применяться системы преобразователь частоты (ПЧ)-асин-хронный электродвигатель (АД). Источником питания таких систем, как правило, является сеть 0,4кВ. Известно, что в электрических сетях, где применяются преобразователи частоты, практически неизбежно их негативное влияние на качество напряжения питания в результате повышения в нем уровня высших гармонических составляющих (ВГС). Например, согласно [1], при применении ПЧ с суммарным током 800А форма кривой фазного напряжения сети имеет вид, представленный на рис. 1.

Рис. 1. Кривая фазного напряжения при работе нескольких ПЧ с суммарным током 800 А

Наличие ВГС влечет за собой увеличение действующих значений напряжения и тока, срабатывание защит, отключение потребителей и ухудшение энергетических показателей работы энергосистемы.

Целью данной работы является обзор и анализ функционирования применяемых в настоящее время ФКУ

Для снижения влияния на сети высших гармонических составляющих существуют следующие возможности:

- подключение к шинам 0,4 кВ, так называемых, линеаторов, представляющих собой «Ь-С» цепи с последовательным включением «Ь» элемента (дросселя) в силовую цепь питания ПЧ;

- подключение параллельно шинам 0,4 кВ трансформаторных пунктов пассивных <^-Ь-С» фильтров;

- применение 12-и и 18-и пульсных схем выпрямления в преобразователях частоты;

- установка параллельных активных фильтров (ПАФ) комплексного действия, обеспечивающих не только коррекцию формы кривых тока и напряжения, но и компенсацию реактивной мощности.

Что касается линеаторов, то их включение в цепи питания ПЧ может вызвать в них резонансные явления и, как следствие, недопустимые перенапряжения. Кроме того, применение последовательно включенных реакторов увеличивает потери в цепях. Некоторые фирмы - поставщики ПЧ, устанавливают на входе ПЧ сглаживающие дроссели. Применение их ведет к сглаживанию высших гармонических составляющих только тока, но не напряжения. К тому же использование в качестве входных фильтров дросселей также сопровождается значительными потерями.

Однако пассивные фильтры, перечисленные выше, настраиваются на ликвидацию ограниченного спектра высших гармонических составляющих, то есть для их настройки необходимы предварительные исследования для каждого конкретного случая и перенастройка параметров фильтров при изменении параметров сети.

Использование силовых фильтров высших гармоник представляется перспективным способом минимизации влияния высших гармоник на форму кривых токов и напряжения. При установке силовых фильтров частично или полностью решается задача компенсации реактивной мощности, так как конденсаторы, входящие в состав фильтров, являются источниками реактивной мощности. Совокупность нескольких силовых фильтров и образует фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ).

12-ти пульсные системы выпрямления предполагают подключение к каждой из ее 2-х ветвей частотно-регулируемых приводов, причем,

глубина коррекции высших гармонических составляющих кривых тока и напряжения на входе ПЧ зависят от соблюдения условия одинаковой загруженности указанных ветвей, от чего зависят потери и температура нагрева, прежде всего сетевого трансформатора на кусте.

Более сложная 18и пульсная система выпрямления может частично устранить указанные выше недостатки 12и пульсной системы, но ее применение не имеет пока еще практической оценки, особенно для мощностей, больших 200 кВт.

Эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке позволяет специальный трансформатор с обмотками "треугольник-звезда". Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют "перекрестную" (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора. Следовательно, в качестве одного из способов ограничения влияния высших гармоник следует использовать специальные трансформаторы с вторичной обмоткой, соединенной по схеме «зигзаг». Аналогичный эффект достигается при использовании силовых трансформаторов с расщепленными вторичными обмотками.

Перечисленные выше обстоятельства являются причиной применения в сетях более сложных активных фильтрокомпенсирующих устройств, способных не только корректировать форму кривых тока и напряжения, но и компенсировать реактивную мощность. Одним из таких устройств комплексного действия является параллельных активный фильтр (ПАФ).

Активные системы коррекции тока и напряжения (Power Correction System - PCS) подключаются параллельно линейной нагрузке. Принцип PCS 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 PCS. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Основным параметром ПАФ является его мощность, которая определяет величину генерируемого в сеть компенсационного тока. При этом номинальная мощность выбирается исходя из необходимости компенсации реактивной мощности и высших гармоник тока и напряжения.

При выборе номинальной мощности ПАФ и номинального значения генерируемого им компенсационного тока должны учитываться следующие обстоятельства:

- амплитуды высших гармоник, генерируемых основными типами нелинейных нагрузок в сетях, могут превышать в 3-17 раз установленные нормативными документами значения;

- необходимость не полной, а частичной компенсации высших гармоник до уровня Кнс%=8%, определенного ГОСТ 13109-97 (для сетей с напряжением 0,4 кВ);

- в режиме частичной компенсации высших гармоник ПАФ выбирается с меньшим номинальным генерируемым током;

- в некоторых случаях, особенно при модернизации сетей, целесообразно параллельное соединение нескольких ПАФ;

- ПАФ может иметь индивидуальное или групповое исполнение, причем место размещения последнего требует предварительного исследования электрической сети с точки зрения регистрации формы кривых тока (напряжения) и установления их спектрального состава специальными сертифицированными приборами.

В настоящее время широкое распространение получили статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК), включающие в себя тиристорно - реакторную группу (ТРГ), являющуюся плавно регулируемым потребителем реактивной мощности, и набор фильтров, обеспечивающих генерацию реактивной мощности на частоте напряжения сети и фильтрацию высших гармоник нагрузки и ТРГ [2]. Разработанные к настоящему времени СТК имеют самые различные конфигурации. Для примера, на рис. 2 приведена одна из возможных схем.

Рис. 2. Принципиальная схема СТК

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

- для улучшения качества напряжения в сетях 0,4кВ необходимо применение специальных фильтрокомпенсирующих устройств;

- выбор типа и мощнос

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком