Исследование характеристик энергоэффективных электроприемников

Тенденция массового внедрения энергоэффективного оборудования (электроприемники с импульсными источниками питания в офисном и бытовом оборудовании, люминесцентные светильники, а также все увеличивающееся количество энергоэффективных ламп, электродвигателей, использующих регуляторы частоты) ставит перед системами распределения электроэнергии новые проблемы. Энергоэффективное оборудование при всех его положительных свойствах, связанных с пониженным потреблением электрической энергии, оказывает сильное негативное влияние на ее качество в силу своих нелинейных характеристик.

Другое направление в реализации энергоэффективных технологий связано с применением полупроводниковых устройств IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором). Их использование сделало возможным выключать ток, а не включать, как в устройствах с тиристорами. IGBT стали применяться во многих областях энергетики, например в быстродействующих переключателях и высокочастотных устройствах управления двигателем (приводах). Вопрос электромагнитной совместимости подобных устройств рассмотрим на примере диммеров, используемых в постановочном освещении театров и концертных залов. Система димминга требует применения питающих кабелей, способных выдерживать высокие гармонические токи. Такие кабели, как правило, на 40% толще обычных.

В течение ряда лет авторами в рамках деятельности испытательной электротехнической лаборатории ВСГУТУ при проведении измерений показателей качества электрической энергии исследовались характеристики как отдельных электроприемников, так и узлов электроснабжения.

В данной статье рассматриваются лишь некоторые виды энергоэффективных электроприемников, которые достаточно условно можно разделить на группы:

• 1    . Энергоэффективные лампы.

• 2 . Асинхронные двигатели (АД) с регуляторами частоты.

• 3    . Электроприемники с импульсными блоками питания.

Далее оцениваются следующие характеристики:

• 1 .    Для тока - действующее значение тока с выделением тока первой гармоники, амплитудное значение тока, крест фактор (отношение между пиковым значением тока и действующим), форма кривой и спектр.

• 2 .    Для мощности - активная, реактивная (первая гармоника), полная и мощность искажения.

• 3 .    Коэффициенты мощности Кр и cos φ.

Для исследования были использованы следующие энергоэффективные электроприемники:

• а)    портативный компьютер серии Aspire 4810Т/4410TZ Series;

• б)    компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) Navigator NCLP-SH-25-827-E27;

• в)    светодиодная лампа MS-BB 141005-PW;

• г)    светодиодная лампа LED TUBE T8-60-144-9W SMD;

• д)    трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (120 Вт, 380 В, 1500 об/мин), питающийся от преобразователя частоты (0...100 Гц, 3 x 220 В; 3 А, входит в состав лабораторного стенда «Энергосбережение в системах электроснабжения и электропотребления» производства инженерно-производственного центра «Учебная техника», г. Челябинск).

а                               б                              в

г

д

е

Рис. 1. Графики тока и напряжения электроприемников с нелинейными характеристиками: а - ноутбук; б - КЛЛ; в - светодиодная лампа MS-BB141005-PW; г - светодиодная лампа TB LED TUBE; д - асинхронный двигатель с тиристорным регулятором частоты;

е - линия, питающая сценическое освещение с диммерами

• е)    линия, питающая сценическое освещение с прожекторами типа Pacific разработки компании Selecon c лампами мощностью от 600 до 1200 Вт, управляемыми диммерами.

Измерения электрических параметров были произведены с помощью прибора «Энергомонитор ЭМ 3.3Т1» и измерительно-вычислительного комплекса «ОМСК-М» (ИВК ОМСК-М).

На рисунке 1 показана форма тока, потребляемого различными электроприемниками .

Кривые формы токов ноутбука и асинхронного двигателя с тиристорным регулятором частоты имеют один пик на полупериоде основной частоты.

Кривые формы токов энергосберегающих ламп характеризуются двумя характерными пиками.

Особенностью кривой тока сценического освещения с диммерами является резкое изменение тока в течение периода.

Спектры тока этих же электроприемников даны ниже (рис. 2).

г

д

е

Рис. 2. Спектры тока электроприемников с нелинейными характеристиками: а - ноутбук; б - КЛЛ; в - светодиодная лампа MS-BB141005-PW; г - светодиодная лампа TB LED TUBE; д - асинхронный двигатель с тиристорным регулятором частоты;

е - линия, питающая сценическое освещение с диммерами

Спектры токов всех этих электроприемников имеют высокий процент содержания высших гармоник.

В спектре тока ноутбука 90% третьей гармоники, 80 – 5-й; 60 – 7-й; 40 – 9-й, 22% – 11-й гармоники.

В спектре тока КЛЛ 78% тока третьей гармоники, примерно около 40% – 5-й, 7-й, 9-й и 11-й гармоник, около 20 % – 13-й и 15-й гармоник.

Спектры токов светодиодных ламп имеют от 40 до 50 % третьей гармоники, от 30 до 20% – 5-й гармоники, от 70 до 58 – 7-й гармоники, от 60 до 40 % – 9-й гармоники.

Для приведенных выше электроприемников в таблице 1 приведены действующее значение тока с выделением тока первой гармоники, амплитудное значение тока и крест-фактор.

Действующее значение тока вычислялось исходя из д ейств ующего значения гармоник

∞ ∑ I n ² .

n

Амплитудное значение оценивалось по кривой тока, получаемой ИВК ОМСК-М.

Токи рассматриваемых электроприемников

Таблица 1

Параметр	Ноутбук	КЛЛ	Лампа MS	Лампа LED TUBE	АД	Ввод в диммерную
Действующее значение тока первой гармоники, А	0,658	0,110	0,025	0,031	0,340	190,3
Действующее значение тока, А	0,978	0,250	0,037	0,048	0,660	239,7
Амплитудное значение тока, А	2,414	0,650	0,15	0,110	2,280	400
Крест-фактор	2,468	5,909	6,000	3,548	3,430	1,669

Коэффициент К, называемый крест-фактором в [1], определяется отношением: К=Im/I, где Im – амплитудное значение тока; I – действующее значение тока.

Для синусоидального сигнала K = 2 .

Коэффициент амплитуды особенно полезен для выявления больших пиковых значений тока или напряжения. Очень большая величина коэффициента амплитуды свидетельствует о наличии значительных сверхтоков. При их обнаружении защитными устройствами эти сверхтоки могут явиться причиной ложных отключений, что требует соответствующего выбора характеристик коммутационных аппаратов.

Другой важной характеристикой электроприемников являются различные виды мощностей:

• -    Активная мощность P определялась как сумма активных мощностей, порождаемых напряжениями и токами одного и того же порядка:

P=∑Un⋅In⋅cosϕ, n где φ - фазовый сдвиг между напряжением и током гармоники n-го порядка.

• -    Реактивная мощность Q определяется только для основной частоты: Q = U ₁ ⋅ I ₁ ⋅ sin ϕ .

• -    Полная мощность S определялась из показаний прибора «Энергомонитор ЭМ 3.3Т1» либо рассчитывалась по формуле:

∞∞

( ∑ U n ² )*( ∑ I n ² ).

nn

Мощность искажения D определялась п о выражени ю:

D = S ² - P ² - Q ₁ ² .

Таблица 2

Мощности электроприемников

Параметр	Ноутбук	КЛЛ	Лампа MS	Лампа LED TUBE	АД	Ввод в диммерную
Активная мощность, Вт	149,9	23,0	6,6	6,5	38,0	39600
Реактивная мощность (только первой гармоники), вар	-18,7	-8,0	-0,8	1,1	-4,1	-10900
Полная мощность, ВА	222,2	32,6	8,7	11,1	80,4	53100
Мощность искажения	162,9	21,7	5,6	8,9	70,7	32,3

Следует отметить, что мощность искажения для персонального компьютера, ламп и прожекторного освещения находится на уровне активной мощности или несколько больше ее.

Мощность искажения АД превышает активную практически в 2 раза.

Следующая группа показателей характеризуется отношением между активной и полной мощностью.

Коэффициент мощности λ равен отношению между активной мощностью Р и полной мощностью S : X = Р / S .

В [2] он обозначается как λ, а в [1] – как Power factor (PF). На практике этот термин часто смешивается с косинусом φ (cos φ ), который равен отношению активной мощности основной частоты к полной мощности основной частоты: cos ^ = P 1 / S 1 .

Если измеренный PF не равен (меньше) cos φ , то это указывает на наличие значительных гармонических искажений в сети.

Таблица 3

Коэффициенты мощности λ(PF) и cos φ для рассматриваемых электроприемников

Параметр	Ноутбук	КЛЛ	Лампа MS	Лампа LED TUBE	АД	Ввод в диммерную
PF	0,68	0,71	0,76	0,58	0,47	0,90
сos φ	0,992	0,94	0,99	1,00	0,95	0,97

Оценим далее, при каких гармонических составляющих питающего напряжения проводились замеры, поскольку подаваемое напряжение непосредственным образом влияет на ток, потребляемый данным электроприемником. В свою очередь, электроприемники также оказывают влияние и на напряжение.

Действующий в настоящее время ГОСТ 13109-97[3] оценивает общее искажение напряжения показателем K U (коэффициент искажения синусоидальности кривой междуфаз-ного или фазного напряжения). В предполагаемом к введению ГОСТ Р 54149-2010 [4] этот же коэффициент называют суммарным коэффициентом гармонических составляющих напряжения. Стандарт EN 50160 [5] данный показатель называет коэффициентом гармонического искажения по напряжению (Total Harmonic Distorsion) THD U .

Показатели гармонического искажения с обозначениями THD вводятся и в ГОСТ Р 51317.4.7-2008 [6].

Общее гармоническое искажен ие на пряжения и тока определяется по формулам:

nn nn к,,---100, K, = -b=2 100.

U      _{U 1}               I      _{I 1}

Таблица 4 Коэффициенты гармонического искажения

Параметр	Ноутбук	КЛЛ	Лампа MS	Лампа LED TUBE	АД	Ввод в диммерную
K U (THD U ),%	7,08	4,44	9,04	9,04	5,57	7,3
K I (THD I ),%	147,49	85,2	85,8	64,97	168,35	76

Значения величин K U , полученные на напряжении 220 и 380 В, достаточно близки или превышают нормально допустимые значения, установленные ГОСТ 13109-97 (8%). Из всех рассматриваемых электроприемников лишь прожекторное освещение вследствие большой величины потребляемой мощности оказывает значительное влияние на значение K U . Влияние прочих рассмотренных электроприёмников на нее малозначительно.

Наибольшее значение коэффициенты гармонического искажения по току имеют место у АД и ноутбука. Для остальных электроприемников они тоже достаточно большие. Согласно рекомендациям [1] значения THD I больше 50% говорит об очень большом гармоническом искажении и требует дополнительных исследований.

Рассмотрим также результаты исследования параметров трехфазного асинхронного двигателя мощностью 24 кВт, напряжением 380 В с короткозамкнутым ротором c частотным преобразователем фирмы «Хьюндай» серии N700E, установленным в системе приточной вентиляции. На входе частотного преобразователя включен реактор ACL-H1-40 с индуктивностью 0,2 мГн. Он применяется для подавления гармоник, а также при асимметрии напряжения основного питания, превышающей 3%. Кроме того, это приспособление оптимизирует коэффициент мощности.

в

Рис. 3. Параметры, характеризующие трехфазный АД с регулятором частоты:

а - токи фаз А,В,С; б - коэффициенты искажения токов по фазам в %;

в - коэффициенты мощности в о.е.; г - мощности искажения в кВА в течение часа с интервалом в 1 мин

1   3   5   7   9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57

ABC

г

Следует отметить достаточно большое изменение рассматриваемых параметров при работе двигателя, причем заметно различие между фазой А и фазами В и С.

Таблица 4

Характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 24 кВт, 380 В c частотным преобразователем

Параметр	Фаза
	А	В	С
Действующее значение тока первой гармоники, А	10,54	10,25	16,52
Действующее значение тока, А	15,04	13,50	19,55
Активная мощность, кВт	1,96	2,33	3,68
Реактивная мощность (только первой гармоники), квар	1,26	-0,41	0,71
Полная мощность, кВА	3,39	3,10	4,44
Мощность искажения	2,47	2,00	2,37
Коэффициент мощности PF	0,58	0,75	0,83
Cos φ	0,47	0,96	0,93
K U (THD U ),%	5,50	5,56	6,07
K I (THD I ),%	26,80	22,21	26,44

В приведенной таблице показаны параметры двигателя для начального времени на графиках.

Оценку влияния данного электродвигателя на качество напряжения согласно ГОСТ 13109-97 следует давать по параметру К U . В приведенном ниже суточном графике показано изменение данного параметра на входе регулятора в течение суток. Как видно из графика, данный параметр соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 для напряжения 380 В.

Рис. 4. Коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения К U (THD U ) на входе регулятора частоты АД в течение суток

Выводы

• 1    . Указываемые в настоящее время в паспортных данных величины токов, мощностей и cos φ не полностью характеризуют степень влияния данных электроприемников на работу системы электроснабжения.

• 2.    В инструкциях по использованию нелинейных электроприемников необходимо указывать действующее и амплитудное значения тока, активную, реактивную и полную мощности, мощность искажения и коэффициент мощности.

• 3.    Следует также указывать спектр тока, потребляемого данным электроприемником при заданных условиях испытаний.

• 4.    Вновь разрабатываемые приборы должны вычислять данные показатели в обязательном порядке.