CC BY
124
УДК 621.311
КОМПЕНСАЦИЯ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ТОКОВ И ТОКОВ НЕСИММЕТРИИ В ЧЕТЫРЕХПРОВОДНЫХ СЕТЯХ НИЗКОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
А. А. Белицкий, Я.Э. Шклярский
Исследуется влияние несимметрии и несинусоидальности на трехфазную че-тырехпроводную электрическую сеть. Также исследована электрическая сеть предприятия. Выявлено, что сеть несимметрична, спектр фазных токов содержит значительные гармонические составляющие, величина тока в нулевом провода превышает величины фазных токов. Выявлена необходимость создания критерия выбора компенсирующих устройств.
Ключевые слова: высшие гармоник, несимметрия фаз, нейтральный провод, перегрузка.
Сегодня достижения в области технологии создают большие преимущества для человека во всем мире. Все чаще и чаще в жизни человека используется современное оборудование, спроектированное с помощью передовых электронных технологий [1, 2, 3]. Однако этот факт провоцирует ухудшение качества электроэнергии. Речь идет о значительном влиянии современного электрооборудования на возникновение высших гармоник и несимметрии в электрической сети.
Отсюда следует, что одним из важных вопросов в области электроснабжения является анализ качества электроэнергии современных промышленных предприятий и непромышленных объектов.
В большинстве случаев ухудшение качества электроэнергии порождается самими потребителями в связи с использованием оборудования, содержащего нелинейные элементы [4, 5]. Это оборудование часто требует высококачественного электропитания для их нормальной работы. Но так как оно само является основным генератором нарушений, то в конечном итоге очевидно взаимовлияние работы оборудования и качества электроэнергии [6, 7].
В настоящее время энергопотребители представлены достаточно широким диапазоном как типов, так и потребляемых мощностей, начиная от ламп накаливания, стационарных компьютеров, электроприводов с частотным регулированием и заканчивая дуговыми печами и мощным медицинским оборудованием. Работа указанных приемников связана с возникновением высших гармоник и несимметрии, которые в свою очередь могут оказывать значительное влияние на работу остального оборудования [8].
Дополнительной проблемой при наличии высших гармоник и несимметрии является возникновение больших токов в нулевом проводнике в четырехпроводной сети, что может привести к аварийному режиму работы оборудования.
Разработка подхода к выбору средств по уменьшению токов нулевого провода позволит не только существенно снизить расходы на обслуживание электрической сети, но и уменьшить влияние несинусоидальных и несимметричных режимов работы на сеть в целом.
В табл. 1 приведены основные средства по уменьшению указанных выше явлений, применяемые в настоящее время [9], где АПФ - активный последовательный фильтр, АПрФ - активный параллельный фильтр, ГФ -гибридный фильтр.
Таблица 1
Основные средства по улучшению качества электроэнергии
Тип фильтра
№ п/п Специфика применения АПФ АПрФ ГФ из АПФ и ППрФ ГФ из АПФ и АПрФ
1 Гармоники напряжения + + +
2 Фликер напряжения + + +
3 Провал напряжения + + + +
4 Стабилизация напряжения + + + +
5 Компенсация реактивной мощности + + +
6 Гармоники тока + + +
7 Компенсация тока нулевого провода + +
8 Обеспечение симметрии +
9 Гармоники и стабилизация напряжения + +
10 Гармоники, фликер, провал и стабилиза- + +
ция напряжения
Гармоники тока и напряжения, стабили-
11 зация напряжения и компенсация реактивной мощности + +
12 Гармоники напряжения и компенсация + +
реактивной мощности
13 Гармоники тока и компенсация реактив- + + +
ной мощности
Компенсация реактивной мощности, тока
14 нулевого провода, гармоники тока и обеспечение симметрии +
Компенсация реактивной мощности,
15 гармоники тока и обеспечение симметрии + +
16 Гармоники тока и обеспечение симмет- +
рии
Компенсация реактивной мощности, тока
17 нулевого провода и обеспечение симметрии +
Приведенные в табл. 1 средства представляют собой достаточно эффективные мероприятия по компенсации несимметрии и несинусоидальности. Однако, до сих пор, в этих условиях отсутствуют четкие рекомендации по уменьшению токов в нулевом проводе, значение которых может превышать значение фазного тока в несколько раз.
Отсюда следует, что для разработки устойчивого критерия по выбору средств, уменьшающих величину нулевого тока, следует провести системный анализ ситуаций, следствием которых является возникновение тока нулевого провода.
Методика. Высшие гармоники тока кратные трем (т.е. 3, 9, 15, 21 и т. д.), определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных четырехпроводных системах. В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу, и в результате сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю.
Это утверждение остается справедливым для всех гармоник кроме гармоник кратных трем. В трехфазных сетях они сдвинуты на 360 градусов относительно друг друга, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали. С учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи.
Так, например, при доле 3-ей гармоники в фазном токе в 35%, ток нейтрали составит 105% от фазного тока. Отсюда можно сделать вывод, что при наличии в сети высших гармоник, кратных трем, ток в нейтрали может превышать фазные токи, что вызывает необходимость увеличения сечения проводников нейтрали трехфазных четырехпроводных систем, которое как правило составляет 0,5 сечения фазного проводника. Гармоники, кратные третьей, приводят к падению напряжения как в нейтрали, так и в фазных проводниках, искажая форму напряжения на других нагрузках, подключенных к этой сети.
Также не меньший вклад в ток нулевого провода вносит несимметричная нагрузка.
Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:
1) неодинаковые нагрузки в различных фазах;
2) неполнофазная работа линий или других элементов в сети;
3) различные параметры линий в разных фазах.
Нейтральный провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника при несимметричной нагрузке.
533
Но при значительной несимметрии ток нулевого провода может превышать фазные токи, что создает проблему перегрузки нулевого провода и возможного его повреждения.
На рис. 1 для примера представлены временные диаграммы изменения фазных токов в ЛЭП [10], где наиболее загруженной является фаза «С», по которой протекает средний ток, равный 35,4 А. В фазах «А» и «В» ток, соответственно составляет 12,8 и 9,3 А. Ток нейтрали в среднем составил 25 А, что значительно превышает токи в фазах А и В.
50 45 40 35
^ 30 <
Г 25 о
20 15 10 5 0
9:50 12:14 14:38 17:02 19:26 21:50
Время
Рис. 1. Временная диаграмма изменения токов в ЛЭП: 1а - ток в фазе А; Iь - ток в фазе В; 1С - ток в фазе С;
1„ - ток в нейтрали
Такой «перекос фаз» приводит к возникновению коэффициентов несимметрии токов по обратной (К21) и нулевой (К01) последовательностям. Для вышеприведенного примера их средние значения соответственно равны 0,47 и 0,45. Однако в отличие от коэффициентов несимметрии по напряжению коэффициенты несимметрии по току не нормируются.
Показателями КЭ, относящимися к несимметрии напряжений в трехфазных системах, являются коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и и коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0и.
Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы: - значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности К2и и несимметрии напряжения по нулевой последовательности К0и в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю;
- значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности К2и и несимметрии напряжения по нулевой последовательности К0и в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
Эксперимент. Ярким примером негативного влияния высших гармоник и несимметрии являются результаты исследований, проведенных авторами в электрической сети медицинского учреждения.
Исследованию подверглась четырехпроводная сеть 0,4 кВ, основной нагрузкой которой являлись приемники, представленной в табл. 2.
Таблица 2
Исследуемые приемники четырехпроводной сети
Тип нагрузки Исполнение Мощность
Магнито-резонансный томограф (МРТ) Трехфазное, нагрузка симметричная 100 кВт
Компьютерный томограф (КТ) Трехфазное, нагрузка несимметричная 50-80 кВт
Измерения проводились в узлах нагрузки, к которым подключена указанная в табл. 2 нелинейная нагрузка.
На рис. 2 - 3 представлены кривые тока на шинах 0,4 кВ.
too
Время (с)
Рис. 2. Кривая тока в фазах МРТ
С помощью стандартной программы Matlab было произведено соответствующее разложение кривых тока в ряд Фурье, на основе чего были получены их спектры, представленные на рис. 4 - 5.
535
Рис. 3. Кривая тока в фазах и нулевом проводе КТ
т-1-1-1-I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1--78
1 2 3 4 6 в 7 й 9 10 11 12 13 14 16 1 2 3 1 5 Б 7 8 9 10 11 12 13 М 15
Номер гармоники Номер гармоники:
Рис. 4. Спектр тока в фазах и нулевом проводе КТ
Следует подчеркнуть, что суммарная нагрузка на фидере, на котором были произведены измерения, представляла собой комбинацию трехфазной и однофазной нагрузки.
Расчет коэффициентов несимметрии производился по методу симметричных составляющих. По графикам нагрузки были получены уравнения для каждой из фаз, из которых были выделены выражения для основной гармонической составляющей и математически найдены токи прямой,
536
нулевой и обратной последовательности, после чего по формулам (1) и (2) были найдены коэффициенты несимметрии по прямой и обратной последовательности
К 2- = -2- • 100, (1)
где К2 - - коэффициент несимметрии тока по обратной последовательности, %; 12 - ток обратной последовательности, А; -1 - ток прямой последовательности, А,
Ко - =10 • 100, (2)
-1
где К0- - коэффициент несимметрии тока по нулевой последовательности, %; -0 - ток нулевой последовательности, А; -1 - ток прямой последовательности, А.
Номер гармоники
Рис. 5. Спектр тока МРТ
Анализ полученных результатов показал, что:
- значения обобщенного коэффициента несинусоидальности по напряжению не превышают 2,6 % , что допускается нормативными документами [11]. Этот факт объясняется жесткими параметрами сети;
- значения коэффициента несинусоидальности по току составляют:
A) для КТ - 180 %;
Б) для нулевого провода КТ - 100 %;
B) для МРТ - 180 %.
- потенциал нейтрали практически равен нулю, т. к. сеть выполнена с глухозаземленной нейтралью;
- фазные токи содержат 1, 3, 5, 7, 9, 11 гармоники. Из высших гармоник наиболее выражена третья;
- ток в нулевом проводе содержит кроме первой токи высших гармоник;
- коэффициент несимметрии по обратной последовательности для КТ составил 163,3 %, по нулевой последовательности - 63,4 %
Таким образом на основе исследования несимметричной сети при наличии нелинейной нагрузки была выявлена проблема по возникновению больших токов в нулевом проводе четырехпроводной сети. Причем существенным фактом является необходимость не только определения совместного влияния несимметрии и несинусоидальности, но и их доли в величине тока в нейтрали.
Поскольку нормированные показатели по несимметрии и несинусоидальности в стандартах приводятся в виде относительных коэффициентов, то выводы по проведенному исследованию следует распространять на все четырехпроводные сети, содержащие нелинейную и несимметричную нагрузки.
Выводы
1. Причиной возникновения значительных величин тока в нулевом проводе могут быть как несинусоидальность фазной нагрузки, так и ее несимметрия, либо их совместное действие. Из примера, приведенного в статье, для несимметричной и нелинейной нагрузки мощностью 70 кВт коэффициент несимметрии по нулевой последовательности составил 63,4 %, коэффициент несинусоидальности фазых токов - 180 %, что привело к возникновению тока нулевого провода величиной 80 А с коэффициентом несинусоидальности 100 %, причем величина тока нулевого провода превысила токи фаз в 1,5 раза. Очевидно, что такие выводы можно распространить на нагрузку любого предприятия, т.к. влияние несимметрии и несинусоидальности однотипно вне зависимости от мощности нелинейной и несимметричной нагрузки.
2. Выявлена необходимость изучения совместного влияния несимметрии и несинусоидальности нагрузки на ток в нулевом проводе с целью дальнейшей разработки критерия выбора средств их компенсации. Для нагрузки, рассмотренной в статье, вклад несинусоидальности в ток нулевого провода составил около 45 А, вклад несимметрии - 65 А, из чего можно сделать вывод, что при различных коэффициентах несинусоидальности и несимметрии их вклады будут различны. То есть критерий позволит выбрать средства компенсации искажений в зависимости от того, чей вклад в ток нулевого провода будет значительнее.
Список литературы
1. Shonin O.B., Pronin M.V., Vorontsov A.G., Gogolev G.A. The Features of a Drive System for Pump-Storage Plant Applications based on the use of Double-Fed Induction Machine with a Multistage-Multilevel Frequency Converter // Proceedings of 15-th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2012. Novi Sad, Serbia, 2012. P. DS1b.7-1 -DS1b.7-8.
2. Ivanchenko D.I., Belsky A.A. Simulation of Dynamic Operating Modes of a Hybrid Wind Power Plant: AENSI Journals // Advances in Environmental Biology. 2014. №8(13). P.464-467.
3. Voityk I.N., Kopteva A.V. Noncontact measurement method for assessing oil quality and quantity in main pipeline // International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS-2015). Tomsk. Russia, 2015.
4 Shklyarskiy Y.E., Yakovleva E.V. Concept for electric power quality indicators evaluation and monitoring stationary intellectual system development // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. N. 6. P. 4270-4274.
5. Bardanov A.I., Skamyin A.N. Mathematical Modeling of Power in the Presence of High Harmonics // 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS). 2015. P. 1-3.
6. Добуш В.С. Анализ способов и средств компенсации высших гармоник// Современные научные исследования и инновации. 2015. № 5-2 (49). С. 55-59.
7. Скамьин А.Н. Алгоритмы выбора средств компенсации высших гармоник в сетях горного предприятия // Известия вузов. Горный журнал. 2012. № 8. С. 80-84.
8. Ramos M. An Assessment of the Electric Power Quality and Electrical Installation Impacts on Medical Electrical Equipment Operations at Health Care Facilities // American Journal of Applied Sciences. 2009. 6(4). P. 638645.
9. Om Prakash Mahela, Abdul Gafoor Shaik Topological aspects of power quality improvement techniques: A comprehensive overview // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. 58. P. 1129-1142.
10. Гантулга Дамдинсурэнгийн. Способы нормализации качества и снижения потерь электрической энергии в сельских распределительных сетях 0.38 кВ Монголии: дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2015.
11. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартин-форм, 2014.
Шклярский Ярослав Элиевич, д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой, _js-l0@ mail.rH, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Белицкий Антон Арнольдович, асп., belitckiy.anton@,gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
COMPENSA TION OF NON-SINUSOIDAL CURRENTS AND ASSYMETRY CURRENTS IN FOUR-WIRE LOW-VOLTAGE NETWORK
A.A. Belitskiy, Y.E. Shklyarskiy
In the article the impact of phase unbalance and harmonics in the three-phase four-wire electrical network was carried out. The electrical network in the object is investigated. Some statements were revealed: the unbalance of network; phase currents spectrum contains significant harmonics; neutral wire current is much higher than the value of the phase currents; the necessity of creating a criterion for choosing the compensating device.
Key words: Harmonics, phase unbalance, the neutral wire, overload.
Shklyarskiy Yaroslav Elievich, doctor of technical science, docent, head of chair, js-10@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Belitskiy Anton Arnoldovich, postgraduate, belitckiy. anton@,gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 681.51
СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОГО ПО ТОЧНОСТИ РЕГУЛЯТОРА СКОРОСТИ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Т.З. Нгуен, Ч. Кхань, В.В. Сурков
Рассмотрены вопросы аналитического конструирования оптимального по точности регулятора скорости синхронного двигателя с датчиком положения ротора (вентильного электропривода) для следящих систем, инвариантных к действиям внешних дестабилизирующих факторов и изменению параметров систем. Показана структурная схема системы управления скорости вентильного электропривода. Приводятся результаты математического моделирования характеристик системы в различных режимах работы.
Ключевые слова: вентильный двигатель, оптимальная точность, аналитическое конструирование, следящая система.
Основными задачами технического прогресса являются максимальная механизация и автоматизация производственных процессов. В решении поставленных задач играют непосредственную роль системы автоматического регулирования (САР) скорости двигателей и оптимальные следящие приводы. Оптимальные системы дают возможность для дальнейшего повышения производительности труда, улучшения качества продукции, уменьшение расхода электроэнергии, параллельно с этим повышают надежность в работе.
