CC BY
113
Электропривод и системы управления
УДК 621.316.722;621.316.1
СТАТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ В.Н. Крысанов, И.В. Макаров
Статья содержит описание и краткий анализ технико-экономический показателей современных стабилизаторов - регуляторов напряжения, применяемых в распределительных сетях общего назначения. Делается вывод о целесообразности применения предложенного авторами тиристорного стабилизатора напряжения, особенно для осветительной нагрузки
Ключевые слова: регулирование напряжения, стабилизаторы, распределительные сети, тиристорные ключи, коэффициент нелинейных искажений напряжения
ГОСТом 13109-97 "Нормы качества
электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения"
устанавливается нормальное ±5% и предельное ±10% значения установившегося отклонения напряжения сети. Это означает что допустимое изменение уровня напряжения в сети 220 В составляет от 209 В до 231 В, а предельно допустимое - от 198 В до 242 В. Для большинства потребителей, снижение фазного напряжения до нижнего уровня, установленного ГОСТом 1310997, не влияет значительно на работу и не снижает их производительности. Так, например, оптимальная работа газоразрядных ламп может быть обеспечена при напряжении 190 В. Поэтому разница между напряжением в сети и фактически необходимым напряжением для работы ламп дает возможность экономии электроэнергии и увеличить срок службы электрооборудования, за счет щадящего режима электроснабжения (рис.1).
О.Э 0-94 0-&В 1 .02 1.06 1.1
Рис. 1. Зависимости характеристик ламп накаливания от напряжения: 1 — потребляемая мощность, 2 — световой поток, 3 — световая отдача, 4 — срок службы.
Повышенное напряжение сети приводит - как к дополнительным затратам на электроэнергию, так
Крысанов Валерий Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, тел. 89202285606
Макаров Иван Викторович - ВГТУ, студент, тел. 89202150096
электрооборудования, увеличению стоимости его обслуживания, так как снижается его ресурс, увеличению количества отказов, сбоям
техпроцессов и потерям данных:
- в асинхронных двигателях, если напряжение выше номинала на 10 %, ток вырастает на 12 %, температура на 10 градусов и потребление энергии на 21%,
- в осветительных системах повышенное на 10 % напряжение увеличивает световой поток на 30 % и снижает ресурс лампы, в среднем, на 50-70 %. Расход энергии при этом возрастает на 20 %,
- в оборудовании, в состав которого входят нагревательные элементы, повышенное
напряжение приводит к частому перегоранию нагревательных элементов.
Напряжение на выходе трансформаторных подстанций в низковольтных сетях 220/380 В составляет до 260/450 В - для осуществления компенсации возможного падения напряжения у удаленных от питающих подстанций потребителей. На низковольтных трансформаторных подстанциях зачастую не регулируется коэффициент трансформации, поэтому из за неравномерного потребления энергии в течение суток уровень напряжения может значительно меняться.
С учетом всего выше сказанного, для экономически эффективного использования электрооборудования необходимо регулировать уровень питающего напряжения. Для этого необходимо использовать стабилизаторы напряжения.
В настоящее время выпускается разнообразные стабилизаторы напряжения, как по типу, так и по мощности.
К электромеханическим стабилизаторам относятся: Ресанта АСН-ЭМ, Solby SVC. Они имеют сравнительно низкую стоимость, но обладают рядом существенных недостатков: относительно невысокая скорость стабилизации напряжения (10-40В/сек), наличие движущихся частей (механического износ щеток и сервопривода щетки).
К релейным стабилизаторам относится: Ресанта АСН-Ц. Данный тип стабилизатора имеет самую низкую стоимость, но имеет минимальную точность поддержания уровня выходного напряжения, а также наличие механических деталей (механический износ снижает срок службы стабилизатора).
К тиристорным стабилизаторам относятся: Штиль, Lider, Progress, Vega, Orion. Эти стабилизаторы статические, в них нет движущихся частей, а следовательно нет механического износа. Они имеют высокую скорость стабилизации напряжения. Их недостатком является использование специального трансформатора с большим числом отпаек (определяемое требуемой точностью выходного напряжения), а
следовательно и высокая стоимость.
Проведем сравнительный анализ технических и стоимостных характеристик стабилизаторов напряжения мощностью 10 кВА представленных на российском рынке (табл. 1).
Особый интерес представляет стабилизатор электроэнергии для осветительных сетей LEC A 3x20A /35V мощностью 14 кВА предназначенный для снижения затрат электроэнергии на освещение. Принцип его работы такой же как у тиристорных стабилизаторов напряжения. Отличие в том, что с
Т ехнические и стоимостные характеристики стабилизаторов
его помощью напряжение цепей освещения может быть стабилизировано до (Ин - 35В).
Экономический эффект от работы стабилизатора ЬБС в следующем: экономия электроэнергии для систем освещения заложена в разнице между сетевым напряжением и напряжением фактически необходимым для работы осветительных ламп без видимого понижения их светоотдачи, а также увеличение их срока службы (рис. 2, рис. 3) .
Рис. 2.
Таблица 1
Параметр стабилизатора Тип стабилизатора
Штиль R-10000 РесантаАСН- 10000/1-Ц Lider PS-10000 SQ-40 Solby SVC -10000 Vega 1000-15 Ресанта АСН- 10000/1-ЭМ Progress 10000L
Количество фаз однофазный однофазный однофазный однофазный однофазный однофазный однофазный
Мощность нагрузки (тах), кВА 10 10 10 10 10 10 10
Диапазон входных напряжений, В 155...255 140...260 110...295 150...260 187...254 150...260 107...275
Точность выходного напряжения,%: 5 8 1.8 3 0,5 2 1,5
Частота питающей сети, Гц 50 50 50 50 50 50 50
КПД, % 95 97 97 97 98 97 96
Г абаритные размеры, мм 440x265x385 340x220x245 405x370x840 540х280х230 280х300х565 400x323x183 260x540x240
Масса, кг 36 18 65 38.0 50 27 43
Температура окружающей среды, □ +1...+40 +5...+40 +5...+35 0...+40 +15...+45 +5...+40 +5...+40
Относительная влажность, % 80 80 80 80 95 80 80
Класс защиты ІР30 ІР20 ІР20 ІР20 ІР21 ІР20 ІР20
Цена, руб 44.340 6.500 58.140 9.960 51.440 8.400 41.900 руб.
100
60
41
ИМ
)25У 21И1
1,000 у ЙО 12. ООО 18.001) 20,01)1) 21.000
Время работы, час
Рис. 3. Зависимость срока службы ЫР8 ламп от напряжения питания Все описанные тиристорные стабилизаторы используют специальные трансформаторы с отпайками и большое количество силовых ключей для их коммутации, что является причиной их высокой стоимости.
Существенное снижение стоимости можно достичь при использовании трансформатора включенного по схеме линейного трансформатора с принципом двухтактной коммутации тиристоров (рис. 4). Суть этого принципа заключается в следующем: изменяя угол отпирания а
тиристоров Т3, Т4, мы изменяем величину вводимого напряжения АП («вольтоотбавка» или «вольтодобавка»). Это позволяет быстро и плавно регулировать величину выходного напряжения, а также использовать серийные трансформаторы.
Рис. 4.
Для увеличения диапазона регулирования выходного напряжения обмотку Ш2 включают согласно и встречно с обмоткой Ш1 (реверсивная схема). Для этих целей можно использовать дешевые коммутирующие аппараты
(разъединители). Если напряжение необходимо регулировать в динамическом режиме, то тогда необходимо вместо разъединителей использовать дополнительные тиристорные ключи, что приведет к увеличению стоимости и усложнению алгоритма управления устройства.
Основным недостатком такого принципа регулирования являются возникающие искажения формы кривой напряжения, что приводит к появлению высших гармоник.
Для анализа возможных нелинейных искажений возьмем в качестве примера типовой однофазный трансформатор 220/36 В.
Кривые напряжения на обмотках трансформатора и его выходе при фн = 300 и
а = 1200 представлена на рис. 6 ((Ґ) -
напряжение в режиме «вольтодобавки», иуо (Ґ)-напряжение в режиме «вольтоотбавки», Пс(/)-напряжение сети).
Рис. 5. График кривой напряжения Аи при
= 30° и а = 1200
Рис. 6
Далее были определены величины коэффициентов нелинейного искажения (КНИ) напряжения при различных рн и а в режиме «вольтоотбавки» (рис.7). Согласно ГОСТу 13109-97 для определения этой величины необходимо учитывать первые 40 гармоник. КНИ определяется по формуле:
К =■
ІП (2„)
п=2
П1
-100%
Рис.7
Согласно ГОСТу 13109-97, нормальное значение КНИ синусоидальности кривой напряжения в сети 0,4 кВ составляет 8%, а допустимое - 12%. Следовательно, работа данного устройства допустимо искажает форму кривой напряжения. А при использовании трехфазного трансформатора реальные значение КНИ будут еще меньше, так как будут отсутствовать все гармоники кратные трем.
значение действующего данного регулятора при режиме «вольтоотбавки»
Ниже определим напряжения на выходе различных рн и а в (рис.8).
Рассчитаем требуемую мощность линейного трансформатора соответствующею нагрузки в 10 кВА:
SBT Sном
DU — 10000 •— — 1636 BA 220
П
Для требуемой мощности линейного трансформатора выберем трансформаторы из представленных на российском рынке (табл.2).
Таблица 2
Технические и стоимостные характеристики
Параметры Тип трансс юрматора
ОСМ 1 1,6 кВА 220 / 36 ТСЗИ 1,6 кВА 380-220 / 36
Мощность, кВА 1,6 1,6
Напряжение первичной обмотки, В 220 380,220В
Напряжение вторичных обмоток, В 36 36
Г абаритные размеры, мм 195х156х210 310х240х300
Масса, кг 16 24
Степень защиты IP00 IP20
Срок службы, лет 12 12
Цена, руб. 5117.18 6645.76
Рис.8
Основную часть стоимости стабилизатора составляет стоимость трансформатора. Поэтому принцип двухтактной коммутации позволят создать регулятор напряжения [1] гораздо дешевле имеющихся на российском рынке. Большинство потребителей не критичны к наличию высших гармоник, особенно это касается систем освещения. Поэтому можно создать более дешевый аналог контроллера электроэнергии для осветительных сетей ЬБС. Для рассматриваемого типового трансформаторного оборудования, тиристорный стабилизатор будет обладать диапазоном плавного регулирования ±16,4%, малыми весогабаритными показателями и двукратно меньшей стоимостью, чем промышленные аналоги.
Литература
1. Крысанов В.Н., Лысков Ю.Н., Расулов М.М., Рубин Я.С. Регулятор переменного напряжения А. С. №1267384 БИ №40, опуб.30.10.86, 4с.
Воронежский государственный технический университет
STATIC DEVICES OF VOLTAGE STABILIZATION IN THE DISTRIBUTIVE NETWORKS V. N. Krysanov, I.V. Makarov
The article provides a description and brief analysis of the technical and economic indicators of modern stabilizers -voltage regulators, used in the distribution networks of General purpose. The conclusion about expediency of application of the proposed authors of a thyristor voltage regulator, especially for the lighting load
Key words: voltage regulation, stabilizers, distribution networks, thyristor keys, THD voltage,,,
102
