CC BY
59
обходимы комплексный учет влияния режимов горения дуги на питающую энергосистему и выявление закономерности формирования реактивной составляющей и разработка технических решений по снижению потерь электроэнергии.
V.M. Stepanov, T.Yu. Frozinova
TRANSVERSE COMPENSATION OF REACTIVE POWER AT ARC PROCESSES
The factors of influence of non-stationary processes in the network and STC as the best way to control the network settings are considered.
Key words: static thyristor compensator, variable load.
Получено 24.12.2011
УДК 621.316.176
А.В. Фомин, канд. техн. наук, техн. руководитель проектов,
(4872) 35-54-50, [email protected]
(Россия, Москва, ЗАО СП «АО Ансальдо-ВЭИ»)
ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ МАШИН
Представлены результаты применение статического тиристорного компенсатора для электропривода шахтных подъемных машин.
Ключевые слова: качество электрической энергии, энергосбережение, фильт-рокомпенсирующие устройства, статический тиристорный компенсатор.
Энергоснабжающие организации и потребители электрической энергии несут значительные экономические потери от нарушения ее качества. Соответствие качества электроэнергии стандартам необходимо для нормальной жизнедеятельности, повышения технико-экономических показателей производства и качества выпускаемой продукции.
Качество электрической энергии неразрывно связано с понятием электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств.
Правовые отношения в области требований к продукции, процессам производства в России определены Федеральным законом «О техническом регулировании» № 184- ФЗ от 27 декабря 2002 года [1]. Требования, которые в нем содержатся в части электромагнитной совместимости электротехнических средств являются обязательными и подлежат подтвержде-
нию соответствия. Данные положения распространяются и на требования к показателям качества электроэнергии.
Как известно, существенным источником помех, снижающих качество электрической энергии, являются силовые полупроводниковые преобразователи [2]. При создании электротехнических комплексов и систем с применением силовой полупроводниковой преобразовательной техники вопросы электромагнитной совместимости с питающей сетью рассматриваются как второстепенные. Однако генерируемые преобразователями высшие гармоники, резкопеременный характер нагрузки электропривода приводят к снижению показателей качества электроэнергии в питающих сетях. Особенно остро это сказывается на других нагрузках, подключенных к той же обмотке силового трансформатора, что и электропривод.
Силовые полупроводниковые преобразователи являются источниками высших гармоник тока, которые определяют искажения синусоидальности напряжения в точках подключения к питающей сети. Порядок высших гармоник тока, ряд которых содержит нечетные гармоники, кроме гармоник кратных трем, зависит от схемы преобразователя и его пульсно-сти или числа фаз преобразователя. Этот ряд определяется следующим выражением :
где п - отношение частоты высшей гармоники к частоте сети; p - пульс-
Порядки высших гармоник, которые компенсируются в преобразователе, определяются следующим выражением:
Следовательно, 6-пульсный преобразователь генерирует нечетные гармоники, начиная с 5-й, а 12-пульсный - начиная с 11-й. При этом 5, 7, 17, 19, 29 и 31-я компенсируется в схеме преобразователя. Некомпенсированные высшие гармоники достаточно значительны, чтобы, как показали измерения, создавать искажения напряжения в точках общего подключения, превышающие допустимые значения по ГОСТ 13109-97 [3].
Амплитуды высших гармоник тока, генерируемые преобразователями, зависят от ряда факторов (отклонения напряжения, угол коммутации и т.д.) [4]. Однако в соответствии с рекомендациями IEEE [5] для практических расчетов приняты амплитуды гармоник тока, обозначенные в таблице.
Основным средством компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник тока и напряжения на входе и выходе силовых полупроводниковых преобразователей являются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) [4]. Выбор параметров ФКУ определяется на основе результатов анализа электромагнитных процессов, происходящих в элек-
n = pk ± 1,
(1)
ность преобразователя; k = 1,2,3 .
n = p • (2k ± 1).
(2)
тротехнической системе и анализа состава гармоник тока и напряжения в точке подключения электропривода и в точке общего подключения. ФКУ состоит из совокупности фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ) - резонансных цепей (фильтры), настроенных на необходимую частоту и на частоте сети являющихся генератором реактивной мощности. Для схем ФКУ применяют в основном следующие типы фильтров: узкополосный, широкополосный и С-типа. Схемы данных фильтров представлены на рис. 1.
Амплитуды высших гармоник тока, генерируемые преобразователями
по рекомендации IEEE
6-пульсная схема
Номер гармоники 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37
Амплитуда гармоники в процентах от 20 14 9 8 6 5 4 4 3 3 3 3
первой гармоники, %
12-пульсная схема
Номер гармоники 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37
Амплитуда гармоники
в процентах от 9 8 4 4
первой гармоники, %
Рис. 1. Схемы фильтров: а — узкополосного; б — широкополосного;
в — С-типа
В случае периодических (циклических) графиков нагрузки электропривода, например шахтных подъемных установок, прокатных станов 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 тиристорных вентилей и трех сдвоенных компенсирующих реакторов (РК). Структурная однолинейная
электрическая схема СТК для электроприводов представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная однолинейная электрическая схема СТК
для электроприводов
СТК и ФКУ проектируются с учетом следующих документов:
- ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»;
- приказ Минпромэнерго №49 от 22.02.07 с «Положением о порядке расчета значений соотношения активной и реактивной мощности ...», в котором прописаны требования к соотношению активной и реактивной мощности в точке присоединения потребителей.
ФКУ предназначен для обеспечения следующих показателей качества электрической энергии (ПКЭ) согласно ГОСТ 13109-97 в точке подключения СТК:
- коэффициента п-гармонической составляющей напряжения;
- коэффициента искажения синусоидальности напряжения.
СТК предназначен для обеспечения следующих ПКЭ согласно ГОСТ 13109-97 в точке подключения СТК:
- установившегося отклонения напряжения;
- размаха изменения напряжения (колебания напряжения);
- коэффициента п- гармонической составляющей напряжения;
- коэффициента искажения синусоидальности напряжения.
Очевидно, что СТК за счет ТРГ позволяет обеспечить более широкий спектр ПКЭ в отличие от ФКУ. Однако наличие ТРГ существенно удорожает компенсирующее устройство и сама ТРГ является источником
гармоник. Также стоит отметить, что в периоды остановки электропривода ФКУ будет генерировать в сеть реактивную мощность, и соблюдение соотношения активной и реактивной мощности в точке присоединения может оказаться проблематичным. Однако при наличии ТРГ (СТК) такая проблема отсутствует.
Рассмотрим результаты применения СТК для электропривода шахтной подъемной машины на примере СТК - 12/6 для скиповой подъемной установки БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий». Электропривод подъемной машины был разработан ОАО «Электропривод» и представляет собой частотно-регулируемый синхронный электропривод с НПЧ по 12-пульсной схеме [6]. СТК 12/6 был разработан ЗАО СП «АО Ансальдо-ВЭИ». Однолинейная схема СТК представлена на рис. 2. Мощность ФКЦ3- 2 Мвар, ФКЦ5- 5 Мвар, ФКЦ7- 5 Мвар.
Измерение качества электрической энергии производилось на шинах 6 кВ РП-2 БКПРУ-2 с помощью анализатора качества электрической энергии «Ресурс UF-2MB».
На рис. 3 и 4 приведены графики напряжения на шинах 6 кВ РП-2 БКПРУ-2, полной, активной и реактивной мощностей потребления электроприводом шахтной подъемной машины при включенном и отключенном СТК 12/6. Измерения напряжения и мощностей были произведены с усреднением 20 мс. Как видно из рис. 3 и 4, цикл работы шахтной подъемной машины 90 с. Применение ФКУ (без ТРГ), которые коммутируются вместе с нагрузкой, не является рациональным, так как конденсаторы после выключения не имеют времени для разрядки (от 5 минут). Поэтому для таких типов нагрузки необходимо применять СТК (ФКУ+ТРГ).
Анализ результатов измерений, представленных на рис. 3 и 4, показывает, что при работе электропривода шахтной подъемной машины РП-2 БКПРУ-2 с СТК 12/6 амплитуда колебаний напряжения на шинах 6 кВ уменьшается в 2,64 раза (с 0,45 кВ рис. 3 (без СТК) до 0,17 кВ рис. 4 (с СТК) по сравнению с режимом работы без СТК 12/6. Также в 3,5 раза (77 с рис. 3 (без СТК) и 22 с рис. 4 (с СТК)) уменьшается длительность отклонения напряжения.
На рис. 5 приведены графики коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах 6 кВ РП-2 БКПРУ-2 при включенном и отключенном СТК 12/6. Измерения коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения были произведены с усреднением до 1 минуты.
Анализ результатов измерений, представленных на рис. 5, показывает, что при работе электропривода шахтной подъемной машины РП-2 БКПРУ-2 с СТК 12/6 коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах 6 кВ РП-2 БКПРУ-2 уменьшается более чем в 3 раза и соответствует требованиям ГОСТ 13109-97.
Графики полной, активной и реактивной мощностей потребления электроприводом шахтной подъемной машины и напряжения на шинах 6 кБ РП-2 БКПРУ-2.СТК (ФКУ) 12/6 отключен.
15,0 14,0 13,0 о. 12.0
(5
в 11,0
.10,0
?. 9,0
Ш 3,0
7,0
1 3,0
< 5,0 ш
г 4,о
«Г 3,0 2.0 1,0
3 5 (В
у Л га =и ,4Ь кВ 1)
-- —
-
£ ,оь кЬ
г
у* № Ь
/ № 1
1 1 I \
' V 0 1) V К > к
о / с / к Л ^ м я /V о Г* N
/ 1 / N 1 / ч
/ 1 1 / 1
» J п1 * Й-, 1
о о о о ■Ч- т со ТГ г-- со т- со П Ю N N СО Ш т- СО т-1 О! СЧ тг тг тг с и с Ц — Ч о с Т с 1Л и : -г с с 0 с й г с с г с а с и и Э С Э и - с 1 и -) Ц Т т с С! ^ т « с а а «г « с с и а и и т с: с: «г сг т-1--ч! Э С Э С э ОС 3 6 С - а т ^ о о 1Л СМ со тГ с (I а ^ а у 3 о с 3 СЧ X Г- С£ ш а Г о с о> а о о с СО {О о т- Г-- О з сч г 1Л с СП О С тг Ю Ц" с с И" Ц" с И" ьг с а г- т т* о о СГ) ГО ю
7
6,8 6,6 6,4 6,2 6
5,8 5,6 5,4 5.2 5
4,8 4,6 4,4
4,2
т
=;
о
о *
к а. с
та X
Бремя Ч:мин:сек
Рис. 3. Графики напряжения на шинах 6 кВ РП-2 БКПРУ-2, полной, активной и реактивной мощностей потребления электроприводом шахтной подъемной машины. СТК (ФКУ) 12/6 отключен
Рис. 4. Графики напряжения на шинах 6 кВ РП-2 БКПРУ-2, полной, активной и реактивной мощностей потребления электроприводом шахтной подъемной машины. СТК (ФКУ) 12/6 включен
Анализ результатов измерений, представленных на рис. 6, показывает, что при работе электропривода шахтной подъемной машины РП-2 БКПРУ-2 с СТК 12/6 значения коэффициентов п-ных составляющих напряжения на шинах 6 кВ РП-2 при работе ШПМ и СТК в штатном режиме
Энергосбережение в системах электроснабжения и электроэнергетических системах соответствуют требованиям ГОСТ 13109-97.
Рис. 5. График коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах 6 кВ РП-2 БКПРУ-2 при включенном и отключенном СТК (ФКУ) 12/6
Коффццпситы и и: ГАрыогемче^кпгса^тпв.тпкаии агпрлжсмля ц п 6 кВ Н| 2 1ЖПРУ
ШПМ с рл5отг. СТК^ (ФКУ) □ рйпт*
»>Г|IН К■ м1| Й V п'ин^и-й Иг^й^-Д
5.90
" I
-ЦП
1
■ 0) 1 1 | 1 „ 1 1 1
I ,1 -1 а и 1 1 1 1 || ||
г/я -1 II || ||| 1 Л I ч\ 1шЛ 1. [ .,.! >1 1 1 и .1. || ■1 I ^ и Ш 1
1 £ - 4 ; I ! * 1( 1| Ц II 11 В 1Й 1? 16 в ¡1 ¡1 И Й Л !! м аг я и а ¡1 Ы Й » 3« ЗГ № » "I
Рис. 6. График коэффициентов п-ных гармонических составляющих напряжения на шинах 6 кВ РП-2 БКПРУ-2 при включенном
СТК2 (ФКУ) 12/6 и ШПМ
На рис. 7 представлен суточный график коэффициента мощности на вводе 6 кВ РП-2 БКПРУ-2. Как видно из графика, коэффициент мощности при работе СТК (ФКУ) 12/6 практически равен 1 (единице) на всем измеряемом промежутке времени.
Рис. 7. График коэффициента мощности на вводе РП-2 6 кВ БКПРУ-2.
СТК2 (ФКУ) и ШПМ в работе
Выводы
1. Рассмотрены технические аспекты применения компенсаторов реактивной мощности (ФКУ и СТК) для силового электропривода. Основным является то, что выбор ФКУ (например, которые коммутируются вместе с нагрузкой) или СТК зависит от особенностей режима работы электропривода.
2. Приведены результаты применения СТК для электропривода шахтной подъемной машины на примере СТК - 12/6 для скиповой подъемной установки БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий». Анализ результатов измерений показывает, что СТК-12/6 компенсирует колебания реактивной мощности, создаваемые электроприводом шахтной подъемной машины, и обеспечивает ПКЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97, на которые СТК оказывает влияние. Также необходимо отметить, что при работе СТК существенно снижается нагрузка на питающие силовые трансформаторы.
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.
6. Электропривод шахтных подъемных машин / Л.Х. Дацковский [и др.] // Электротехника» 2010. №1.
A.V. Fomin
TECHNICAL ASPECTS OF STATIC THYRISTOR COMPENSATORS FOR ELECTRIC MINE WINDERS
The results of the the use of static thyristor compensator for the actuator shaft hoisting machines are shown.
Key words: quality of electrical energy, energy efficiency, filter-compensating device, a static thyristor compensator.
Получено 24.12.11
УДК 676.013.6-83
И.М. Базыль, асп., (4872) 35-54-50, eists@гатЬler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ
Рассмотрены задачи и практические методы, обеспечивающие эффективность требуемых показателей электрической энергии.
Ключевые слова: электроэнергия, реактивная мощность, токи, коэффициент мощности, показатели качества электроэнергии.
Интенсификация производственных процессов, повышение производительности труда связаны с совершенствованием существующей и внедрением новой, передовой технологии. Этому процессу сопутствует широкое внедрение мощных вентильных преобразователей, электродуговых печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электроэнергии в электрических сетях.
Следует отметить, что практически все показатели качества электроэнергии по напряжению зависят от потребляемой промышленными
