Влияние полупроводниковых устройств на качество питающей сети

Введение

Объемы потребления электроэнергии возрастают с каждым годом. В промышленности вводятся новые производственные мощности, строятся новые заводы. Растет и число частных предпринимателей, организующих мелкие производства: лесопилки, сборочные, монтажные и сварочные цеха.
Не отстают от этого и бытовые потребители электроэнергии. Промышленностью выпускается все больше электрифицированных устройств, позволяющих облегчить быт и разнообразить отдых людей, создать им максимальный комфорт.
Все это приводит к увеличению нагрузок на существующие электросети. Но их модернизация и развитие идет вперед с меньшими темпами. Эксплуатация старых электрических сетей на уровне мощности, близкому к предельному, приводит к ряду последствий, ухудшающих качество электрической энергии.
Но не только увеличение потребления мощности пагубно действует на сети. Сам характер нагрузки изменился. Возросло количество устройств, потребляющий не синусоидальный, а импульсный ток.
Лампы накаливания, нагревательные элементы, электродвигатели – все они потребляют ток синусоидальной формы. Но теперь лампы накаливания заменяются люминесцентными, энергосберегающими (компактными люминесцентными) и светодиодными источниками света. Вместо духовых шкафов с ТЭНами используются микроволновые печи, а в цепях управления электродвигателями появляются полупроводниковые устройства управления, регулирующие скорость их вращения. Добавим к этому списку телевизионные приемники, компьютеры и другие бытовые полупроводниковые устройства.
Полупроводники являются нелинейными элементами. Это означает, что проходящий через них ток не повторяет синусоидальную форму напряжения, а имеет свою собственную. А это приводит к появлению в питающей сети напряжений высших гармоник, с частотой, большей 50 Гц. Эти гармоники пагубно влияют на работу другого электрооборудования.


Влияние полупроводниковых устройств на качество питающей сети

Энергоснабжающие организации и потребители электрической энергии несут значительные экономические потери от нарушения ее качества. Соответствие качества электроэнергии стандартам необходимо для нормальной жизнедеятельности граждан, 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 подтверждению 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 обмотки силового трансформатора, что и электропривод.
Полупроводниковые преобразователи

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 импульсности или числа фаз преобразователя. Этот ряд определяется следующим выражением:


n  pk  1,

где n - отношение частоты высшей гармоники к частоте сети; p - пульс-
(1)

ность преобразователя;
k  1, 2,3.


Порядки высших гармоник, которые компенсируются в преобразователе, определяются следующим выражением:


358838523685500n  p  (2k  1).
2

(2)


Таблица 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
первой гармоники, %
20
14
9
8
6
5
4
4
3
3
3
3
12-пульсная схема
Номер
гармоники 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37
Амплитуда гармоники в процентах от
первой гармоники, %
−
−
9
8
−
−
4
4
−
−
−
−

Фильтрокомпенсирующие устройства
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 определяются на основе результатов анализа электромагнитных процессов, происходящих в электротехнической системе и анализа состава гармоник тока и напряжения точке подключения электропривода, и в точке общего подключения. ФКУ состоит из совокупности фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ) - резонансные цепи (фильтры), настроенные на необходимую частоту и на частоте сети является генератором реактивной мощности. Для схем ФКУ применяют в основном следующие типы фильтров: узкополосный, широкополосный и С-типа. Схемы данных фильтров представлены на рис. 1.
98044034734500


абв Рис. 1. Схемы фильтров:
а – узкополосного; б – широкополосного; в – С-типа


Для определения мощность ФКУ используют следующее выражения, где:

QФКУ = Q1 + QV,(3)
Q1 - реактивная мощность на основной частоте; Q - реактивная
мощность на частоте настройки ν.
Реактивная мощность, генерируемая ФКУ на основной частоте

где U — линейное напряжение на шинах подключения ФКУ; ХC — сопротивление фазы конденсаторной батареи ФКУ.


В случае периодических (циклических) графиков нагрузки электропривода, например, шахтных подъемных установок, 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).


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 расчетазначений 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:
коэффициент n- гармонической составляющей напряжения;
коэффициент искажения синусоидальности напряжения.
СТК предназначен для обеспечения следующих ПКЭ согласно ГОСТ 13109-97 в точке подключения СТК:
установившееся отклонение напряжения;
размах изменения напряжения (колебания напряжения);
коэффициент n- гармонической составляющей напряжения;
коэффициент искажения синусоидальности напряжения