05 марта 2016г.
Проблема, связанная с влиянием высших гармоник на работу потребителей электрической энергии, в последнее время обострилась в связи с применением мощных электроприемников, чья вольтамперная характеристика носит нелинейный характер. К источникам высших гармоник можно отнести такие электротехнические устройства, как: высокочастотные пускорегулирующие аппараты для люминесцентных ламп, управляемые и неуправляемые вентильные преобразователи, трансформаторы, электросварку, дуговые сталеплавильные печи, драйверы электродвигателей с регулировкой скорости вращения и др.
Несинусоидальный ток создает несинусоидальные падения напряжения в сопротивлениях питающей сети, таким образом, что даже в случае синусоидального сигнала ЭДС источника электроэнергии в сети с выпрямительной нагрузкой присутствуют несинусоидальные токи и напряжения. Таким образом, нагрузка потребляет из питающей сети искаженный ток, в состав которого входят гармоники, с частотами, превышающими основную частоту. Падения напряжения, обусловленные этими токами, вызывают искажение кривой напряжения питания, что может повлечь за собой нарушения работы других приемников, создавая опасность возникновения перегрузки цепей и резонанса в цепях, содержащих емкости.
В настоящее время проблема влияния высших гармоник является одной из важных частей общей проблемы электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей электрической сетью.
Высшие гармоники напряжения и тока оказывают влияние на элементы систем электроснабжения и линии связи [3]. Основными формами воздействия высших гармоник на системы электроснабжения являются:
Ø увеличение токов и напряжений высших гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов;
Ø снижение эффективности процессов генерации, передачи, использования электроэнергии;
Ø старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;
Ø ложная работа оборудования.
Появление убытка, ввиду наличия в питающей сети высших гармоник, обусловливает необходимость снижения их уровней в системах электроснабжения. В настоящее время основными мерами по уменьшению влияния высших гармоник напряжения на элементы электроустановок являются [2]:
Ø рациональное построение схемы электроснабжения;
Ø применение фильтрорегулирующих и фильтрокомпенсирующих устройств;
Ø применение многофазных схем выпрямления, специальных законов управления преобразователями;
Ø использование активных и пассивных фильтров;
Ø использование реакторов.
Следует отметить, что когда речь идет об автономных системах электроснабжения, где в качестве источника питающего напряжения выступает электромеханическое устройство, такое как бензогенератор или дизель-генератор, влияние на цепь питания высших гармоник тока и напряжения, создаваемых коммутируемой нагрузкой более ярко выражено, нежели в промышленных и бытовых сетях. Объясняется это тем, что в подавляющем большинстве повсеместно используются представители вышеуказанных электромеханических преобразователей, имеющие невысокую стоимость. Следствием невысокой цены, как правило, является несовершенство конструкции и низкое качество выходного напряжения. Выходное напряжение таких устройств, даже на холостом ходу имеет вид, представленный на Рисунке 1.
Поэтому использование вышеприведенных устройств
на данный момент не может полностью решить проблему качества
электроэнергии в случае систем
автономного электроснабжения.
Применение емкостных
фильтров в данных системах электроснабжения приводит к тому, что изменяется нормальный
путь гармоник тока от нелинейного потребителя к источнику питания, замыкая
часть этого тока через себя. Так как сопротивления элементов сети имеют индуктивный характер, то при применении установок компенсации реактивной мощности
и наличии нелинейных электропотребителей появляется вероятность проявления
резонансных явлений (как по току, так и по напряжению) на отдельных
элементах системы электроснабжения, что говорит
о нерациональности использования данного метода.
Использование источников бесперебойного питания (ИБП), применяемых для получения
требуемых параметров выходного
напряжения является
весьма дорогостоящим (стоимость ИБП превышает стоимость генератора). Кроме того существуют проблемы
совместимости ИБП с автономными генераторами [1].
Первой проблемой
является влияние
нелинейных искажений, вносимых нагрузкой (в частности ИБП) на характеристики автономных генераторов. Для работы дизель-генератора прежде всего важен конечный уровень нелинейных искажений. Влияние данного
параметра на характеристики дизель-генератора выражается в следующей зависимости: чем больше значение нелинейных искажений, тем большей мощностью
должен обладать
дизель-генератор по сравнению
с ситуацией, когда нелинейные искажения минимальны.
Поскольку наиболее критичная
нагрузка (такая как, например, импульсные источники
питания серверов, персональных компьютеров, компрессоров холодильных установок, электроприводов и др.) обычно носит нелинейный характер, суммарное значение коэффициента нелинейных искажений для оборудования, размещенного, например, в центре обработки
данных, может колебаться
от 40 до 90% [1]. Это означает, что при выборе дизель-генератора по такому параметру, как
мощность, нужно принимать во внимание именно
эти данные, поскольку
значение коэффициента нелинейных искажений у ИБП зачастую намного ниже. Превышение коэффициентом нелинейных
искажений уровня в 50% (а это приводит
к искусственному завышению
мощности дизель-генератора всего лишь на 20%) является уже более чем достаточным поводом для борьбы с нелинейными искажениями [1].
Вторая проблема,
определяющая совместимость ИБП с дизель-генератором, — величина реактивного тока, генерируемого ИБП или нагрузкой. Это свойственно нагрузке, имеющей
емкостный характер; например,
ею могут быть конденсаторные батареи на выходе выпрямителя ИБП. Когда дизель-генератор работает с такой нелинейной нагрузкой (в режиме опережающих токов), то в определенные моменты
времени накопленная в конденсаторах энергия возвращается в источник. При этом на выходе дизель-генератора создается повышенное напряжение, воспринимаемое системой его управления как ошибка,
и дизель-генератор отключается.
В случае применения
фильтрорегулирующих и фильтрокомпенсирующих устройств,
необходимо построение определенного алгоритма управления силовыми
ключами, учитывая влияния обратного
тока и нелинейных искажений на автономный генератор.
Таким образом,
в случаях, когда отсутствует возможность приобретения электромеханического генератора высокого качества,
с требуемыми выходными характеристиками, имеет место проблема
управления формой питающего напряжения в системах автономного электроснабжения, которая на данный момент не имеет оптимального в плане
цена-результат технического решения
и требующая детального
исследования и проработки.
Список литературы
1.
Алан Кац. «Взаимодействие ИБП и дизель-генератора» [Электронный ресурс]
// Журнал «Сети и системы связи». №13, 2001г. URL:
http://www.ccc.ru/magazine/depot/01_13/read.html?0104.htm. (Дата обращения: 19.08.2015).
2. Куско А. Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества энергии/Куско А., Томпсон М.: пер. с англ. Рабодзея А. Н. — М. : Додэка-ХХI, 2010. —336 с. : ил. — Доп. тит. л. с вых. дан. ориг. — ISBN 978-5-94120-226-3.
3.
Степанов В.М., Базыль И.М. Влияние высших гармоник в системах электроснабжения предприятия на потери электрической энергии
/ Известия ТулГУ.
Технические науки. - 2013 вып.12.Ч.2 - с. 27 – 31.
