Анализ влияния двухфазной нагрузки на питающую сеть

Введение.

Достижение необходимой эффективности компенсации реактивной мощности (РМ) промышленными и коммунальными потребителями электроэнергии позволяет обеспечивать требуемый уровень качества электроэнергии на стадии ее потребления, снижать размеры потерь энергии, и тем самым, выполнять требования Федерального закона "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации” от 23.11.2009 N 261-ФЗ [1].

Наличие некомпенсированной реактивной мощности на стадии потребления энергии вызывает завышение размеров потерь энергии, нестабильность и снижение уровня напряжения, что оказывает негативное влияние на режимы работы ЛЭП и электрооборудования производственных предприятии, а также на качество производимой ими продукции и услуг [2].

Многие методы компенсации несимметрии н реактивной мощности являются высокозатратными, н поэтому не все предприятия имеют возможности их применять.

В данной работе рассмотрены некоторые аспекты влияния двухфазных нагрузок на питающую трехфазную сеть, а также способы нейтрализации такого влияния, имеющие относительно не высокую стоимость. Такие способы основаны на использовании устройств компенсации РМ, использующих технологии силовой электроники, в виде так называемых "тонких” преобразователей переменного тока типа "Thin AC Converter” (ТАСС), с применением различных сочетаний активных фильтро-компенсирующих и симметрирующих устройств, получивших название “динамические конденсаторы” (dynamic capacitors), которые имеют второе название без инверторных активных фильтров (inverter-less active filter), а также управляемых тиристорами вспомогательных устройств [2-8].

В целях определения особенностей влияния двухфазной нагрузки на питающую сеть, в качестве практического примера рассматривается подключение к трехфазной сети сварочного трансформатора ТДЭ-250 "УРАЛ”, изготовленного в соответствии с ТУ 3441001-35212322-94, и предназначенного для питания сварочного поста, осуществляющего ручную дуговую сварку, а также резку или наплавку металла.

Сварочный трансформатор ТДЭ-250 УРАЛ ' построен на основе однофазного трансформатора и имеет систему тиристорного регулирования на стороне переменного тока. Он может включаться как на фазное, так и на линейное напряжение трехфазной сети.

В целях обеспечения объективного контроля режимов по напряжению и току применяется цифровой осциллограф АКТАКОМ АСК-2034, который позволяет экспортировать результаты измерений на компьютер в целях их дальнейшей обработки в программной среде Mathcad.

Подключение сварочного трансформатора к трехфазной сети производится по двухфазной схеме (рисунок 1):

Рисунок 1 - Схема подключения трансформатора в сети

На рисунке 2 представлен внепший вид цифрового осциллографа АКТАКОМ АСК-2034.

Рисунок 2 - Внешний вид цифрового осциллографа АКТАКОМ АСК-2034.

Результаты осциллографирования в цифровом виде были экспортированы в программу Mathcad. Осциллограммы тока в фазах А и В представлены на рисунке 3:

Рисунок 3 - Осциллограммы тока в фазах А и В

Спектр тока фазы А представлен на диаграмме на рисунке 4:

Рисунок 4 — Диаграмма спектрального состава тока фазы А

Возникающие искажения синусоидальности (рисунок 3) и наличие гармоник (рисунок 4) нуждаются в соответствующей коррекции и компенсации [1].

Выбор метода компенсации искажений. В данном случае необходимо определить метод компенсации для возникающей в результате воздействия нелинейной нагрузки несинусоидальности, несимметрии и реактивной мощности в электрической сети на стадии потребления энергии. Для реализации этих целей обычно используют такие активные фильтрокомпенсирующие и симметрирующие устройства, как статические компенсаторы, активные фильтры, системы управления потоками мощности. Применение таких устройств является достаточно дорогостоящим вариантом [2]. Менее затратным может применение так называемых 'тонких'' преобразователей переменного тока вида "Thin AC Converter'7 (ТАСС) [7]. Поэтому в данном случае рассматриваются сравнительно дешевые варианты неполной компенсации несимметрии с использованием только емкостных элементов, в рамках допустимых уровней остаточной несимметрии и потребления (генерирования) реактивной мощности, с применением сочетания активных фильтро-компенсирующих и симметрирующих устройств, получивших название “динамические конденсаторы" (dynamic capacitors). В таких устройствах применяется батарея конденсаторов, которая подключается к сети через АС/АС преобразователь. “Динамические конденсаторы” реализуют технологию плавного регулирования реактивной мощности и частично выполняют функции активной фильтрации высших гармоник. При подключении пофазной компенсации индуктивного и емкостного тока нагрузки, можно максимально приблизиться к единичному значению cos <р по всем фазам [7].

На рисунке 5 представлена схема “динамического конденсатора” на базе buck-преобразователя [8]:

Рисунок 5 - Схема “динамического конденсатора” и его условное обозначение

Плавное регулирование размеров используемой емкости конденсатора в необходимых и достаточных пределах достигается изменением времени открытия двунаправленных ключей Si Si и S3S4.

На схеме рисунка 6 представлена схема параллельного подключения сварочного трансформатора ТДЭ-250 и устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ).

Рисунок 6 - Схема параллельного подключения сварочного трансформатора ТДЭ-250 и устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ)

В соответствии с теоретическим обоснованием [5], активная Pi и реактивная Qi мощности определяются как составные части полной мощности:

Sj² = (Ui h)² = Рз² + Qf = (Ui h cos фО² + (U U sin ф1Л             (1)

где Ui - среднеквадратичное значение напряжения первой гармоники, Вольт, 11 - среднеквадратичное значение тока первой гармоники, Ампер, <Р1 - угол сдвига фаз между током и напряжением первой гармоники.

В связи с этим, необходимо не допускать поступления в питающую сеть реактивной мощности, генерируемой нагрузкой, а также компенсировать искажения синусоидальной формы тока.

В целях получения математического описания оптимальной методики, применяемой для компенсации РМ в данной схеме подключения нагрузки, определим критерий оптимальности в виде минимального значение функции f, которая определяется суммой квадратов токов комплекса (ТДЭ-250 + УКРМ):

/= Д12+ /в Г+Л: Г                               (2)

где Д1 = 7а+ Лн, Tbi = 7в + Тви, 7сг = 7с + 7ск, 7а и 7_В - токи сварочного трансформатора, 7аъ 2дк, Тае - фазные токи УКРМ.

В случае применения такого метода компенсации, для данного спектрального состава токов, можно достигнуть снижения значения функции и токов, потребляемых комплексом (ТДЭ-250 + УКРМ) примерно на 10%, а точнее в 1,087 раза [2].

В случае подключении несимметричного пассивного УКРМ, соединенного треугольником или звездой, реализуется вариант пофазной компенсации РМ.

В процессе практической реализации технологии пофазной компенсации РМ, можно использовать компенсаторы с тиристорным управлением, статические компенсаторы и активные фильтры, имеющие относительно высокую стоимость. Но наиболее широкое распространение у промышленных потребителей энергии имеют относительно не дорогие в применении УКРМ с тиристорным управлением, которые могут быть реализованы в виде тиристорно-управляемых реакторов (ТУР) или в виде тиристорно-переключаемых конденсаторов (НТК) [8-10]. В составе конструкции ТУР имеется конденсатор с фиксированной емкостью и индуктивный реактор с тиристорным управлением (рисунок 7).

Рисунок 7 - Схема тиристорно-управляемого реактора (ТУР)

Изменение угла открытия тиристоров изменяет значение действующего тока через реактор, и это изменение регулирует величину действующей индуктивности, что позволяет обеспечить непрерывность процесса управления, высокое быстродействие и отсутствие переходных процессов. Нужно отметить, что ТУР генерируют токи высших гармоник [1], что потребует установки дополнительных фильтров компенсирующих устройств и соответствующего удорожания устройства компенсации [4].

На рисунке 8 показана схема ТПК:

f*M

SW«

Gw

Рисунок 8 - Схема ТПК

ТИК позволяют реализовать принцип регулирования реактивной мощности ступенями [4]. В случае применения такого метода компенсации, для рассмотренного в работе спектрального состава токов, можно достигнуть снижения значения функции более чем на 40%. [2].

Выводы.

В работе рассмотрены аспекты влияния двухфазных нагрузок на питающую трехфазную сеть, а также такие способы нейтрализации такого влияния в целях обеспечения необходимого уровня качества электроэнергии. Такие способы основаны на использовании устройств компенсации РМ, использующих технологии силовой электроники, в виде так называемых ‘тонких" преобразователей переменного тока типа “Thin AC Converter” (ТАСС), с применением сочетания активных фильтро-компенсирующих и симметрирующих устройств. Также рассмотрены устройства компенсации с тиристорным управлением, которые имеют сравнительно низкую стоимость и позволяют достигать приемлемого результата.