Ключевые слова: качество электрической энергии, система электроснабжения, частотный преобразователь, активный фильтр гармоник
Одной из важнейших проблем распределительных сетей является проблема ухудшения качества электроэнергии, вызванного ростом уровня высших гармоник.
Главной причиной снижения качества электрической энергии до недавнего времени являлись резкопеременные и нелинейные нагрузки крупных металлургических заводов, а также системы тягового электроснабжения железной дороги. Но в последнее время большое применение получили статические частотно-регулируемые приводы, силовые преобразователи и сберегающие системы освещения, что привело к снижению качества электрической энергии.
Искажения формы синусоиды напряжений и токов ведет к возрастанию потерь, быстрому старению изоляции, а, следовательно, и уменьшению срока службы электрооборудования [1]. Вследствие этого возрастают капиталовложения и расходы на эксплуатацию, обусловленные заменой оборудования раньше установленного срока.
Таким образом, проблема поддержки высокого качества электрической энергии приобрела достаточно большую значимость для систем электроснабжения. Чтобы снизить вызванных ухудшением качества электрической энергии, отрицательные последствия, необходимо проведение технических и организационных мероприятий, направленных на улучшение качества электроэнергии и надежности электроснабжения.
Универсальным устройством регулирования параметров, устанавливающих качество электрической энергии, являются активные фильтры гармоник (АФГ).
В данной статье будет показана эффективность работы АФГ совместно с частотным преобразователем.
Активные фильтры — это коммутируемые устройства, параметры которых создаются при помощи закона управления. Это адаптационные устройства, с величинами, которые меняются в соответствии с режимом работы сети и характеристик нагрузки. Важнейшей функцией АФГ является подавление высших гармоник напряжения и тока.
Принцип действия АФГ основан на переходе индуктивности в соответствии с моментальным изменением напряжения на нагрузке. Схема данного устройства представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Однофазная схема замещения АФГ
Далее представим уравнения, объединенные в систему, которые описывают различные режимы функционирования АФГ и являются математической моделью, показанной на рисунке 1 схемы АФГ.
(1)
Параметры устройства (индуктивность L и емкость C) меняются в зависимости от входных величин системы и нагрузки [2].
Одной из главных задач АФГ является подавление высших гармоник, в частности работы электросети совместно с преобразователями частоты.
Частотный преобразователь (ЧП) — это электронный механизм, который предназначен для регулирования значений частоты напряжения или тока. Устройство включает в себя выпрямитель, преобразовывающий переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный необходимых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры или транзисторы снабжают электродвигатель необходимым для работы током [3].
Рис. 2. Схема преобразователя частоты
Однако ЧП представляет собой источник высших гармонических колебаний. Выпрямители, входящие в устройство преобразователя, как правило, выражаются количеством колебаний постоянного тока, которые они каждый период производят. Как правило, это 6-ти или 12-пульсные выпрямители. Гармонические токи, которые показывают процент от основного тока 50 Гц, показаны в таблице 1 для 6-ти пульсного выпрямителя.
Таблица 1
Содержание в% гармоник тока 6-ти пульсного выпрямителя
|
Номер гармоники |
Содержание в% гармоник тока |
|
1 |
100 |
|
5 |
20 |
|
7 |
14 |
|
11 |
9 |
|
12 |
8 |
|
17 |
6 |
|
19 |
5 |
Нами была разработана программа работы АФГ, основанная на системе дифференциальных уравнений (1) и переключении индуктивности с помощью тиристорного моста, в зависимости от величины напряжения на нагрузке. Если напряжение на нагрузке превышает номинальное синусоидальное напряжение, то индуктивность подключается таким образом, чтобы избыточная энергия в системе накапливалась в индуктивности. Если же напряжение на нагрузке меньше номинального синусоидального напряжения, то индуктивность подключается так, чтобы накапливаемая энергия в индуктивности возвращалась в систему электроснабжения.
Зададим параметры системы электроснабжения в соответствии с рисунком 1. В качестве примера проведен расчет гармоник на шинах РУНН-0,4 кВ КТП 10/0,4, мощностью 250 кВА, к которому подключены преобразователи частоты.
Таблица 2
Параметры системы электроснабжения
|
Параметры |
Значения |
|
Напряжение на входе U, В |
220 |
|
Сопротивление R1, Ом |
0,04 |
|
Индуктивность рассеяния L1, мГн |
0,02 |
|
Индуктивность АФГ L, мГн |
60 |
|
Сопротивление нагрузки Rн, Ом |
8 |
|
Индуктивность нагрузки Lн, мГн |
12 |
|
Емкость нагрузки Cн, мкФ |
100 |
|
Конечное время t, с |
0,04 |
|
Начальный ток в индуктивности I, А |
100 |
С помощью программы для заданной системы электроснабжения совместно с частотным преобразователем были построены зависимости тока от времени без учета работы (рисунок 5, а) и с учетом работы активного фильтра (рисунок 5, б).
Рис. 3. Зависимость тока от времени, а) без учета работы фильтра, б) с учетом работы фильтра
На основании полученных зависимостей можно сделать следующий вывод: при работе системы электроснабжения с АФГ кривая тока приобретает практически идеальную форму, то есть АФГ подавляет высшие гармоники, создаваемые электронным оборудованием (в данном случае — частотным преобразователем). Данный вывод указывает на эффективность использования АФГ в системах электроснабжения для увеличения качества электроэнергии.
Литература:
- И. В. Жежеленко. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. — М.: Энергия, 1974. — 184 с.
- Рогозина Д. А., Хворова Т. С. Специальные фильтрокомпенсирующие устройства как метод борьбы с несинусоидальностью напряжения // Молодой ученый. — 2016. — № 24. — С. 108–110.
- Частотный преобразователь (электропривод) // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Частотный_преобразователь_(электропривод) (дата обращения: 26.12.2016).
