Современные прикладные аспекты качества электрической энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Предложенную методологию моделирования целесообразно применять для выбора схем и параметров СТК (ФКУ) на этапе проектирования электротехнических комплексов и систем, содержащих преобразователи.

Список литературы

1. О техническом регулировании; Федеральный закон №184- ФЗ от 27 декабря 2002 года // Российская газета. 31 декабря 2002 , №245 (3113).

2. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000. 252 с.

3. Эффективность использования многофазных схем преобразователей для обеспечения качества электроэнергии/ И.И. Карташев [и др.] // Электро. 2003. №5. С. 23-27.

4. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат. 1984, 160 с.

5. Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis (IEEE Brown book) (ANSI) / IEEE STD 399-1997, IEEE.

A. Fomin

The analysis of influence power semi-conductor converter on quality of electric energy

Influence of power converters on functioning of electroreceivers by means of modelling is considered.

Keywords: quality of electric energy, the filter compensating devices, energy savings, static thyristor compensator.

Получено 06.07.10

УДК 629.9:502.14:62-83

В.М. Степанов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-54-50, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), А.В. Фомин, канд. техн. наук, лаборант, (4872) 35-54-50, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

СОВРЕМЕННЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Рассмотрены влияние качества электрической энергии на функционирование электроприемников, способы улучшения качества электроэнергии, экономические и правовые аспекты качества электроэнергии.

Ключевые слова: качество электрической энергии, фильтрокомпенсирующие устройства, энергосбережение.

Электрическая энергия используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью определенных свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции.

140

Как и для любого другого товара, существенным является понятие «качество». Качество электрической энергии (КЭ) определяется совокупностью ее характеристик, при которых электроприемники (ЭП) могут нормально работать и выполнять свои функции в полном объеме.

Существуют основные показатели качества электроэнергии (ПКЭ), нарушения которых по каким либо причинам приводят негативным последствиям технологического и электромагнитного характера: увеличение потерь активной мощности и электроэнергии, сокращение срока службы электрооборудования, нарушение нормального хода технологических процессов потребителей.

Электроэнергия обладает специфическим свойством, которое состоит в том, что электроэнергия не складируется, и нет возможности методично и неторопливо осуществлять проверку ее качества на складе. Знание истинных текущих параметров ПКЭ критически важно для операторов любой электросетевой компании, к которой предъявляются требования по качеству энергии.

Качество электрической энергии неразрывно связано с понятием электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств, т.е. способности различных технических средств работать, не создавая друг другу недопустимых электромагнитных помех. Причем электромагнитная несовместимость обусловлена в основном теми ПКЭ, которые не подлежат сертификации.

Проблема настолько важна и серьезна, что в последнее время значение электромагнитная совместимость стало заменяться на значение электромагнитная безопасность, поскольку речь идет о безотказной работе различных технических средств, влияющих на безопасность на транспорте, в энергетике, на производстве и т. д.

Широкое внедрение микропроцессорных устройств, вычислительной техники и современной каналообразующей аппаратуры приводит к повышению электромагнитной восприимчивости технических средств, использующих эти элементы и, следовательно, к большей зависимости качества их функционирования от электромагнитных помех в окружающей электромагнитной обстановке.

На рис. 1 и 2 [1] приведены формы тока и напряжения фидера, питающего «компьютерные нагрузки». Как видно из рис. 1, 2, синусоидальная форма тока сильно искажена высшими гармониками. Последствия очевидны:

- дополнительные потери в трансформаторах. Эти потери могут привести к значительным потерям энергии и стать причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева;

- ухудшаются условия работы батарей конденсаторов. Батареи конденсаторов предназначены для компенсации реактивной мощности нагрузки, то есть для повышения коэффициента мощности электроустановки

здания. Однако в условиях несинусоидальности тока батареи конденсаторов одновременно являются элементами, абсорбирующими гармоники со всей сети, так как сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте сети;

- ускоренное старение изоляции проводов и кабелей. Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока;

- необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств, обусловленного протеканием несинусоидальных токов;

- сокращение срока службы электрооборудования возникает из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции. При рабочих температурах в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С ростом температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования;

- помехи в сетях телекоммуникаций могут возникать там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены в относительной близости. Вследствие протекания в силовых кабелях высокочастотных гармоник тока в кабелях телекоммуникаций могут наводиться помехи.

Нарушения работы технических средств в результате воздействия электромагнитных помех могут иметь широкий диапазон последствий: от выхода из строя бытовой техники до отказов в работе систем управления технологическими процессами, нарушение которых приводит к возникновению опасности для жизни и здоровья людей, к большому экономическому ущербу и причинения вреда окружающей среде.

Как видно из рис. 1, ток сильнее искажен высшими гармониками по сравнению с напряжением (рис. 2). Однако при сравнении ПКЭ по ГОСТ 13109-97 и стандартов МЭК (рис. 3) видно, что только стандарты МЭК относят к ПКЭ гармоники тока.

По данным «Мосэнерго», неправильная работа РЗиА по причине электромагнитной несовместимости, составляет до 10 % от всех случаев ложной работы и касается в основном только РЗиА на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе, причем воздействие электромагнитных помех приводит не к разрушению устройства, а к нарушению его работы или кратковременному сбою в работе с последующим восстановлением функций. Электромагнитные помехи проявлялись наиболее часто в виде высокочастотных импульсов.

Процесс замены электромеханических РЗиА на микропроцессорные необратим, и если не уделять внимание проблеме ЭМС, то полная замена на РЗиА со столь высоким процентом неправильной работы грозит обернуться катастрофой.

I. А

180 60 -ВО -180

Рис. 1. Фидер питания компьютерных нагрузок (ток фазы А, действующее значение тока 59,7 А)

и, в

2М О -200

О 4,8 9,6 14.4 Щ2 I. мс

Рис. 2. Питающее напряжение

В США, Канаде, Японии, Англии, странах ЕС требования ЭМС являются обязательными. Существующие в этих странах регламенты по ЭМС имеют силу закона.

В Европейском Союзе был принят ряд директив, устанавливающих обязательность выполнения требования ЭМС. В результате выполнения

143

ГI ! \ > I

Г Г. /„1

I V

\ I

V

4,8 9,6 14,4 19,2 1, ИС

этих директив в ЕС за 15 лет были приняты нормативные документы в области ЭМС (стандарты БЫ), развита современная испытательная база, введена и осуществляется сертификация технических средств различного назначения на соответствие требованиям ЭМС.

Показатели КЭ Показатели КЭ

(ГОСТ 13109-97) (стандарты МЭК)

- установившееся отклонение - частота в системе

напряжения; энергоснабжения;

-размах изменения напряжения; - значение и положительное и

- доза фликера; отрицательное отклонения

- коэффициент искажения напряжение электропитания;

синусоидальности кривой напряжения; - доза фликера;

- коэффициент п-ой гармонической - провалы и выбросы

составляющей напряжения; напряжения электропитания;

- коэффициент несимметрии - прерывания напряжения;

напряжений по обратной - переходные процессы

последовательности; напряжения;

- коэффициент несимметрии - несимметрия напряжений;

напряжений по нулевой - гармоники и интергармоники

последовательности; напряжения и тока;

- отклонение частоты; - сигналы, передаваемые по

- длительность провала напряжения; электрически сетям;

- импульсное напряжение; - резкие изменения

- коэффициент временного напряжения.

перенапряжения.

Рис. 3. Сравнение ПКЭ по ГОСТ 13109-97 и МЭК

В декабре 2002 года принят закон РФ «О техническом регулировании», в соответствии с которым выполнение требований ЭМС является обязательным.

Основные средства позволяющие улучшить ПКЭ в электросети, приведены в таблице.

Выбор средств обеспечения ПКЭ зависит от конкретных особенностей питания, нагрузки. Однако при создании электротехнических комплексов и систем с применением силовой полупроводниковой преобразовательной техники (практически все устройства обеспечения ПКЭ содержат преобразователи) вопросы электромагнитной совместимости с питающей сетью должны рассматриваться как первостепенные.

Для примера рассмотрим ПКЭ электротехнического комплекса «Система электроснабжения (СЭС) - СТК (ФКУ) - Силовой преобразователь (электропривод) подъемной установки» (рис. 4). График нагрузки подъемной установки приведен на рис. 5. Данный комплекс смоделирован в МайаЬ 2008а. Результаты расчета приведены на рис. 5-7.

Средства обеспечения электроэнергии

По частоте Д/ По отклонению напряжения ди По колебаниям напряжения бЦ, М По несинусоидаль ности напряжения Ки » КЩн) По несимметрии напряжения К2и» К0и По провалам напряжения б и пр

Синхронные генераторы и их турбины (СГ) Синхронные генераторы и их система возбуждения (СГ) Статические тиристорные компенсаторы (СТК) Фильтрокомпенсир ующие устройства, резонансные фильтры ЬС Симметрирование нагрузки по фазам Средства защиты и автоматики (АПВ, АВР)

Вставки и передачи постоянного тока (ВПТ и ППТ) Статические тиристорные компенсаторы (СТК) Сдвоенные реакторы и транформаторы с расщепленной обмоткой Многофазные схемы преобразования в инверторах и выпрямителях Симметрирующие устройства (СУ) на базе конденсаторов и реакторов Источники бесперебойного питания (ИБП)

Накопители индуктивные и емкостные (СПИНЭ, СТАТКОМ) Синхронные компенсаторы (СК) Устройства продольной компенсации ТУПК Активные фильтры АФ Транспозиция линейных проводов ВЛ Дизель-генераторные установки ДГУ

Источники бесперебойного питания (ИБП) Устройства продольной компенсации ТУПК Накопители индуктивные и емкостные (СПИНЭ. СТАТКОМ) Средства контроля качества электроэнергии СИ ПКЭ Средства контроля качества электроэнергии СИ ПКЭ Средства контроля качества электроэнергии СИ ПКЭ

Средства контроля качества электроэнергии (СИ ПКЭ) Накопители индуктивные и емкостные (СПИНЭ. СТАТКОМ) Средства контроля качества электроэнергии СИ ПКЭ

Управляемые подмагничиванием шунтирующи е реакторы УШР

Рис. 4. Структурная однолинейная электрическая схема электротехнического комплекса «СЭС - СТК (ФКУ) - Силовой преобразователь (электропривод) подъемной установки»

В случае периодических (циклических) графиков нагрузки электропривода, например шахтных подъемных установок (рис. 5.), прокатные станы и т.д. целесообразно применение статических тиристорных компенсаторов (СТК). СТК представляет собой ФКУ с тиристорно- реакторной группой. ТРГ, соединенная в треугольник является плавно регулируемым потребителем реактивной мощности. ТРГ состоит из трехфазного состоит из тиристорных вентилей и трех сдвоенных компенсирующих реакторов

(РК).

Мвар, МВт

/ \ ^ О

__ р

О!-1-1-

О 5 10 с 15

Рис. 5. График нагрузки подъемной установки

Как видно из рис. 6 СТК снижает коэффициент искажения синусоидальности напряжения (ТИБ) с 9.56 % (по ГОСТ 13109-97 - допустимое значение 5 %, предельно допустимое - 8 %) до 2,57 %. Из рис. 7 видно, что СТК снижает колебание напряжения в 2,5 раза.

СТК обеспечивает следующие ПКЭ согласно ГОСТ 13109-97 в точке подключения СТК для данного электропривода:

- установившееся отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения (колебания напряжения);

- коэффициент п- гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент искажения синусоидальности напряжения.

Fundamental (50Hz) = 8243 , THD= 9.64%

10

Harmonic order

а

Fundamental (50Hz) = 4Э78 , THD= 2.57%

0.5 -

1,1 ll

! 10 Harmonic order

12

14

16

18

20

б

Рис. 6. Коэффициенты п-гармонической составляющей напряжения а - без СТК; б - с СТК

При проектировании средств улучшения ПКЭ необходимо рассчитывать экономический эффект от внедрения данных средств. Экономический ущерб имеет две составляющие: электромагнитную и технологическую. Электромагнитная составляющая определяется в основном изменением потерь активной мощности и соответствующим изменением срока службы изоляции электрооборудования. Технологическая составляющая ущерба вызывается влиянием качества напряжения на производительность технологических установок и себестоимость выпускаемой продукции.

а

б

Рис. 7. Действующие фазные значения напряжения: а - без СТК; б - с СТК

При расчете ущерба наибольшим является ущерб, обусловленный отклонением напряжения. Отклонение напряжение приводит к ухудшению качества и количества продукции, приводит к простоям. Ущерб, вызываемый несинусоидальностью и несимметрией напряжения, в среднем в 2-2,5 раза меньше [2].

Выводы

1. Очевидно, что основным виновником ухудшения качества электрической энергии (КЭ) невольно оказывается потребитель, который использует современное электротехническое оборудование.

Такие электроприемники потребляют токи высших гармоник, токи обратной и нулевой последовательности и вызывают несинусоидальные и несимметричные падения напряжения в сопряженном с границей раздела электрической сети сопротивлении системы. Если даже сетевая организация обеспечивает 100%-ную синусоидальность и симметричность питающего напряжения, то напряжение в точке общего присоединения (ТОП) таких потребителей будет искаженным.

2. Самыми «грязными» с точки зрения ПКЭ и ЭМС являются городские сети. В таких мегаполисах как г. Москва преобладающей является коммунально-бытовая и офисная нагрузка. По данным ОАО "Мосэнерго», доля «бытовой и непромышленной нагрузки» сейчас составляет около 70 % . Такая нагрузка содержит оборудование, генерирующее очень большую «дозу» высших гармоник тока:

- статические преобразователи (выпрямители, тиристорные регуляторы напряжения, стабилизаторы и т.д.) ;

- ИБП (мед. учреждения, банки, офисы и т.д.) ;

- импульсные источники питания (компьютеры, офисная техника, сервер-рные станции, рекламная светодиодная, плазменная и ЖК аппаратура);

- газоразрядные осветительные устройства (90 % от всех светильников);

- сварочные аппараты (ЖКХ и т.д.);

- частотный электропривод переменного тока (ЖКХ, крупные офисы);

- специальное медицинское оборудование.

3. Интересен тот факт, что многие городские организации вынуждены устанавливать силовые ИБП не столько с целью обеспечения «бесперебойности», сколько с целью обеспечить свои сети качественной электрической энергией (отгородиться от «грязной» сети).

Интеллектуальные ИБП с архитектурой типа «On-Line», «Double Conversion» являются идеальными источниками КЭ для потребителя и устраняют девять сетевых помех (исчезновение, провалы, всплески напряжения, высокий и низкий уровень напряжения, переходные процессы, ЭМ и РЧ помехи, искажение частоты и синусоидальности).

Но, если такие силовые ИБП не снабжены корректором коэффициента мощности (ККМ) и активными фильтрами (кондиционерами) гармоник (АФГ) на входе (что значительно удорожает ИБП), то они сами являются достаточно мощными источниками высших гармоник (3, 5, 7, 11, 13-е) и соседние потребители, не имеющие ИБП, страдают еще больше.

4. Элементы самой электрической сети не являются заметными источниками нелинейности и поэтому практически не вносят никаких искажений в форму кривых тока и напряжения.

Список литературы

1. Влияние «компьютерных» нагрузок на работу электрических сетей зданий/ О.Григорьев [и др.]// Мир связи. № 12. 2002.

2. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат. 2000, 252 с.

V. Stepanov, A. Fomin

Modern applied aspects of quality of electric energy

Influence of quality of electric energy on harmonic filters, ways of improvement of quality of the electric power, economic and legal aspects of quality of the electric power is considered.

Keywords: quality of electric energy, the filter compensating devices, energy savings.

Получено 06.07.10

УДК 629.9:502.14:62-83

Н.Д. Поляхов, д-р техн. наук, проф., (812) 234-68-18, [email protected],

A.В. Кузнецов, ассист., (812) 234-68-18, [email protected],

B.Е. Кузнецов, канд. техн. наук, доц., (812) 234-68-18, [email protected], О.Э. Якупов, канд. техн. наук, ассист., (812) 234-68-18, [email protected], В. А. Поляхова, канд. техн. наук, доц., (812) 234-68-18, [email protected], А.В. Вейнмейстер, ассист., (812) 234-68-18,

[email protected] (Россия, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ)

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ СРЕДСТВАМИ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Исследованы возможности подавления влияния нелинейных факторов в модели линейного (по перемещению) электродвигателя с целью улучшения его характеристик, особенно в области малых сигналов. Рассмотрено применение контура тока по обмоткам управления, а также применения адаптивного регулятора с последующим построением следящего привода рулевой системы маневренного самолета.

Ключевые слова: рулевая система, адаптивный регулятор, линейный электродвигатель.

Формирования требований к рулевым системам самолета основаны на обеспечении его управляемости и качества динамики во всех эксплуатационных режимах. Появление самолетов с неустойчивой аэродинамиче-