+7 (495) 981-9839
+7 (495) 642-5882

Rus Eng
Заказ обратного звонка
заказать звонок тел.: +7 (495) 981-9839
+7 (495) 642-5882
+7 (498) 653-4068
sales@khomovelectro.ru
Отправить заявку
Компания «Хомов электро» — завод-изготовитель, имея многолетний опыт работы на рынке электротехнического оборудования по производству конденсаторных установок и налаженные прямые поставки комплектующих высокого качества для компенсации реактивной мощности от мировых производителей, — признанных лидеров в своих отраслях бизнеса, готова оперативно и качественно выполнить ваш заказ на изготовление и поставку оборудования в срок.
большой опыт работы
качество продукции
оперативность выполнения
индивидуальный подход

Принцип работы гибридной конденсаторной установки


	
		
			

Реализация и характеристики антирезонансной гибридной конденсаторной батареи, соединённой треугольником, для коррекции коэффициента мощности

Представляем вашему вниманию новую трёхфазную антирезонансную гибридную конденсаторную батарею, соединённую треугольником, для коррекции коэффициента мощности в промышленных системах энергоснабжения низкого напряжения. Во всех случаях шунтирующие конденсаторы, соединённые последовательно с реакторами, должны быть тщательно рассчитаны перед установкой, чтобы не допустить последовательного или параллельного гармонического резонанса между конденсаторами и индуктивностью системы.

Однако параметры системы динамически меняются в соответствии с изменениями конфигурации системы энергоснабжения и изменениями нагрузки. Поэтому после установки конденсаторов может наступить гармонический резонанс. Основной задачей предлагаемой гибридной конденсаторной батареи является компенсация реактивной мощности без какого-либо гармонического резонанса. Гибридная конденсаторная батарея представляет собой комбинацию соединённых треугольником конденсаторов с подключенными последовательно маломощными однофазными преобразователями без согласующего трансформатора. Преобразователи используются для улучшения характеристик конденсаторов.

Экспериментальные результаты подтверждают практическую реализуемость предлагаемой антирезонансной гибридной конденсаторной батареи, соединённой треугольником, для компенсации реактивной мощности. Реализацию такой гибридной конденсаторной батареи и методы управления ей рассмотрим ниже.

Гармонический резонанс и возможные пути решения

Шунтирующие силовые конденсаторы обычно используются в промышленных системах и распределительных сетях энергоснабжения для повышения коэффициента мощности и управления напряжением. Конденсаторы не генерируют гармоники, но они влияют на их уровень в системах распределения. Одной из наиболее серьёзных проблем является так называемый гармонический резонанс, который приводит к резкому увеличению напряжения и тока гармоник. Причиной этого эффекта является последовательный и/или параллельный резонанс конденсаторов и индуктивности системы, складывающейся из индуктивностей нагрузки и линии. Гармонический резонанс может произойти и в условиях низкой нагрузки в ночной период.

Для подавления гармонического резонанса для установки в распределительных системах энергоснабжения предназначены активные шунтирующие фильтры, принцип действия которых основан на определении напряжения гармоник. Активные фильтры действуют как низкое сопротивление на частотах гармоник, делая возможным снижение напряжения гармоник до допустимых величин. Для преодоления проблем, связанных с габаритами и стоимостью, были предложены бестрансформаторные активные шунтирующие фильтры. Это решение подходит для применения в энергетических компаниях, которые отвечают за регулирование напряжений во всех точках обслуживания.

Обычно отдельные потребители для повышения коэффициента мощности и уменьшения затрат на оплату электроэнергии предпочитают устанавливать конденсаторные батареи. Перед установкой инженеры-энергетики должны выбрать решение и спроектировать конденсаторную батарею так, чтобы избежать резонанса системы. Обычным решением для этого является добавление последовательных реакторов к существующим конденсаторным батареям. Такая комбинация образует резонансный фильтр с частотой резонанса ниже частоты преобладающей гармоники, обычно пятой. Однако параметры системы динамически меняются в соответствии с изменениями конфигурации системы энергоснабжения и изменениями нагрузки. Поэтому гармонический резонанс может наступить, даже при установке последовательно соединённых конденсаторов и реакторов. В некоторых случаях для того, чтобы устранить эту проблему, требуются сложные и дорогостоящие технические работы.

Статический компенсатор реактивной мощности эффективно компенсирует реактивную мощность, но его стоимость намного выше по сравнению с шунтирующим конденсатором. В последнее время ведутся активные исследования гибридных активно-пассивных фильтров с целью повышения эффективности и уменьшения номинальной мощности активных фильтров. Гибридные фильтры могут обеспечить различные функции, такие как коррекция коэффициента мощности, компенсация гармоник и подавление гармоник. Шунтирующий конденсатор в гибридном фильтре должен обеспечивать длительную работу при протекании токов гармоник, поэтому номинальные напряжение и ток конденсатора могут оказаться больше, чем номинальные параметры обычного одиночного конденсатора, используемого для повышения коэффициента мощности. Конструкция гибридного активного фильтра, конечно, больше подходит для компенсации гармоник, а не для коррекции коэффициента мощности. Кроме того, конденсаторы, соединённые треугольником, широко используются в промышленных системах энергоснабжения низкого напряжения. Это делает сложным построение гибридного фильтра и управление им. Бестрансформаторные гибридные фильтры с конденсаторами, соединёнными треугольником, практически не упоминаются в литературе.

Для решения данной задачи предлагается новая трёхфазная антирезонансная гибридная конденсаторная батарея, соединённая треугольником, для коррекции коэффициента мощности в промышленных системах энергоснабжения низкого напряжения. Гибридная конденсаторная батарея представляет собой комбинацию соединённых треугольником конденсаторов с подключенными последовательно маломощными однофазными преобразователями без согласующего трансформатора.

Основной целью введения преобразователей является получение компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов без гармонического резонанса. Каждый конденсатор ведёт себя как высокий импеданс на основной частоте, поэтому мощность и номинальное напряжение преобразователей могут быть сильно уменьшены. Каждый преобразователь действует как бесконечный импеданс для частот гармоник и представляет собой нулевой импеданс для основной частоты. В результате независимо от параметров системы гармонический резонанс конденсаторов и индуктивности системы будет отсутствовать. Номинальные напряжение и ток конденсатора могут быть уменьшены. Ниже приводятся экспериментальные результаты, полученные с помощью лабораторного прототипа, которые показывают возможность реализации и эффективность антирезонансной гибридной конденсаторной батареи для компенсации реактивной мощности.

Гибридная конденсаторная батарея

Конфигурация системы

На рис. 1 показана обычная промышленная система энергоснабжения низкого напряжения. Система состоит из трёхфазного источника 380В, индуктивности источника, линейной и нелинейной нагрузки и конденсаторной батареи. Индуктивность источника LS соответствует индуктивности рассеяния трансформатора и индуктивности линии. Конденсаторная батарея С мощностью 2,3 квар установлена для поддержания коэффициента мощности системы выше 0,95 для линейной нагрузки 3,8 кВА с коэффициентом мощности 0,64 при отстающем токе и нелинейной нагрузке 500 Вт. Для того чтобы избежать резонанса между С и LS, последовательно с конденсатором подключен реактор LС. Так как наиболее серьёзные проблемы в большинстве силовых систем приносит 5-я гармоника напряжения и тока, LС выбирается для настройки на частоту 5-й гармоники. В данном случае индуктивность LC составляет около 8 мГн (8,7%). Однако параметры системы динамически меняются в соответствии с изменениями конфигурации системы энергоснабжения и изменениями нагрузки. Поэтому гармонический резонанс может наступить даже при установке последовательно соединённых конденсаторов и реакторов.

На рис. 2 и рис. 3 показана промышленная система энергоснабжения с предлагаемой антирезонансной гибридной конденсаторной батареей для коррекции коэффициента мощности соответственно в однофазной и трёхфазной схемах. Гибридная конденсаторная батарея представляет собой комбинацию трёхфазных шунтирующих конденсаторов, подключенных последовательно с тремя однофазными мостовыми преобразователями 100 ВА без согласующего трансформатора. Линейная нагрузка состоит из активной нагрузки, представляющей собой лампы накаливания, и индуктивной нагрузки (устройства управления люминесцентными лампами). Из-за низкого номинального напряжения устройств управления люминесцентными лампами необходим трёхфазный понижающий трансформатор. Активная и индуктивная нагрузки подключены параллельно, чтобы можно было изменять активную и реактивную мощности независимо друг от друга. Нелинейной нагрузкой является трёхфазный выпрямитель с резисторами на выходе. Все параметры приведены на рис. 3. При этом величина индуктивности источника выбрана такой, чтобы вызвать резонанс на 5-й гармонике.

Активная и индуктивная нагрузки подключены параллельно, чтобы можно было изменять активную и реактивную мощности независимо друг от друга. Нелинейной нагрузкой является трёхфазный выпрямитель с резисторами на выходе. Все параметры приведены на рис. 3. При этом величина индуктивности источника выбрана такой, чтобы вызвать резонанс на 5-й гармонике.

В реальных приложениях для повышения коэффициента мощности устанавливается несколько конденсаторных батарей. Имеется много типов соединений конденсаторных батарей: треугольник, звезда с нулевым проводом, звезда без нулевого провода и т.д. В качестве начального этапа рассматривается одиночная конденсаторная батарея, соединённая треугольником. В этой статье в качестве первой ступени рассматривается одиночная конденсаторная батарея, соединённая треугольником. Кроме того, нужно отметить, что через батарею не могут проходить токи нулевой последовательности и гармоник, кратных трём.

Для улучшения характеристик конденсаторной батареи, соединённой треугольником, можно использовать или трёхфазный преобразователь с общим конденсатором постоянного тока или трёхфазный мостовой преобразователь. Хотя трёхфазный преобразователь дешевле, чем три однофазных преобразователя, для его последовательного подключения к конденсаторной батарее, соединённой треугольником, необходимы последовательные трёхфазные трансформаторы. Трансформаторы могут увеличить стоимость и физические размеры гибридной конденсаторной батареи. Поэтому предлагается бестрансформаторная гибридная конденсаторная батарея, соединённая треугольником, которая показана на рис. 3. Три однофазных преобразователя подключаются последовательно с конденсаторной батареей, соединённой треугольником, без последовательных трансформаторов. Для устранения пульсаций напряжения, производимых преобразователем с частотой коммутации 8,3 кГц, предусматривается фильтр LfCf с частотой среза 5 кГц. Если гибридная конденсаторная батарея находится в режиме ожидания, два МОП-транзистора в нижнем плече открыты, чтобы не допустить перенапряжения на конденсаторе постоянного тока Cdc. МОП-транзисторы должны выдерживать большие токи, возникающие при резонансе.

Принцип работы гибридной конденсаторной батареи

На рис. 4 показана однофазная эквивалентная схема предлагаемой системы для гармоник. Для упрощения игнорируется фильтр пульсаций, а нелинейная нагрузка представлена в виде идеального источника тока гармоник. Конденсатор CY соответствует эквивалентной ёмкости конденсаторной батареи, соединённой звездой. Индуктивность Ly соответствует эквивалентной индуктивности соединения звездой индуктивности нагрузки, которая относится к стороне 380 В трансформатора. CY равна 50 мкФ, LLY, включая индуктивность рассеяния трансформатора, равна 158,5 мГн.

Преобразователь управляется таким образом, чтобы он имел нулевой импеданс на основной частоте и действовал как высокое сопротивление на частотах гармоник. Если преобразователь активирован, напряжение преобразователя vc

vc = К∙iCh, (1)

где iCh – ток гармоник, являющийся частью тока конденсатора iC.

Если К достаточно высок, а в контроллере нет задержки, из приведённого выше выражения следует, что токи гармоник не могут протекать через конденсатор, в то время как ток основной частоты течёт через него для увеличения коэффициента мощности. Поэтому гибридная конденсаторная батарея может компенсировать реактивную мощность без гармонического резонанса.

Конструкция преобразователя

В соответствии с принципом работы идеальной гибридной конденсаторной батареи каждый преобразователь генерирует напряжение гармоник, идентичное напряжению гармоник в точке присоединения (PCC), показанной на рис. 3. В результате через гибридную конденсаторную батарею протекает только ток основной частоты. Поэтому номинальная мощность каждого преобразователя определяется генерируемым напряжением гармоник и током основной частоты. Как правило, уровень напряжения гармоник в точке подключения должен быть менее 5% номинального напряжения системы, то есть 11В на фазу. Конденсаторная батарея 2,3 квар пропускает на основной частоте ток 3,5 А. Поэтому необходимая номинальная мощность каждого преобразователя должна быть не менее 38,5 ВА. Принимая кпд преобразователя равным 90%, можно оценить потери в преобразователе как 3 x 38,5 x 10% = 11,55 Вт. В этой конструкции для обеспечения производительности, гибкости и надёжности гибридной конденсаторной батареи применены три однофазных преобразователя 100 ВА. Преобразователи построены на базе МОП-транзисторов IRF540 (100 В, 28 А).

Нужно иметь в виду, что требуемая номинальная мощность преобразователя – это пиковое значение, которое больше, чем эффективное. Однако определять пиковое значение тока в реальных случаях не очень практично, поэтому в конструкции должно использоваться эффективное значение с достаточным запасом. Экспериментальные результаты подтверждают правильность такой концепции. Таким образом, общая номинальная мощность преобразователей составляет 300 ВА, то есть 11,1% от номинальной мощности конденсаторной батареи. Понятно, что преобразователь может быть легко разработан с учётом только параметров конденсаторной батареи, предназначенной для установки в конкретную систему.

Для выбора конденсатора постоянного тока каждого преобразователя принимается значение коэффициента амплитудной модуляции, равное 0,8, отклонения напряжения должны быть не более 5%. Так как каждый преобразователь должен генерировать напряжение гармоник 11 В, минимальное необходимое значение напряжения конденсатора постоянного тока составляет . Выбран конденсатор с напряжением 20 В и ёмкостью 4700 мкФ.

Система управления

Схема управления

На рис. 5 показана структурная схема системы детектирования гармоник и управления постоянного напряжения. Токи трёхфазного конденсатора определяются и трансформируются в iCd и iCq следующим образом:

где ω1 – угловая частота линии. Два фильтра верхних частот с частотой среза 13 Гц выделяют компоненты ĩCd и ĩCq из iCd и iCq. Затем ĩCd and ĩCq усиливаются K, как показано в (1). После этого v*Cd и v*Cq трансформируются в трёхфазные опорные напряжения v*Ca, v*Cb и v*Cc в соответствии с выражением:

Каждое опорное напряжение поступает на схему управления затвором для формирования биполярных сигналов ШИМ управления МОП-транзисторами каждого преобразователя.

На рис. 6 показана векторная диаграмма регулирования постоянного напряжения. Каждый преобразователь может сам регулировать напряжение конденсатора постоянного тока vdc без внешнего питания. Так как номинал конденсаторной батареи намного больше, чем преобразователя, ток основной частоты Ic всегда опережает напряжение основной частоты Vt на 90°. Чтобы управлять vdc, преобразователь должен генерировать напряжение основной частоты в фазе с Ic, чтобы сделать коэффициент реактивной мощности преобразователя равным единице. Это означает, что опорное напряжение основной частоты V1* должно также быть в фазе с IС, как показано на рис. 6.

Для этого V*d1 и V*q1 устанавливаются соответственно в 0 и 1. Таким образом, опорные напряжения основной частоты могут быть выражены как:

Величина опорного напряжения основной частоты V1* регулируется с помощью коэффициента Kdc постоянного тока от пропорционально-интегрального регулятора. Величины пропорционального и интегрального коэффициентов устанавливаются равными соответственно 0,5 и 5 с-1. Верхний и нижний пределы Kdc устанавливаются равными соответственно 0,25 и -0,25. В результате для регулирования vdc поглощается или выделяется небольшое количество мощности конденсатора постоянного тока.

Выбор коэффициента усиления системы управления

На рис. 7 показана структурная схема каждого преобразователя.

Передаточная функция схемы детектирования гармоник может быть выражена:

где – угловая частота среза фильтра верхних частот (см. рис. 5). В реальной схеме выходной сигнал может иметь задержку относительно входного. Эффект задержки может быть представлен как:

где T = 60 мкс – период выборок. Поэтому передаточная функция преобразователя определяется как:

T в точке подключения можно определить по формуле: >

VT = VC + ZCIC = (G(s) + ZC) IC, (8)

где ZC = sLf + 1/(sCY) – импеданс ветви конденсатора. С помощью анализа методом узловых потенциалов ток гармоник может быть выражен как:

где Zs = Rs + sLs, Zr = Rr и Zl = sLl. С помощью равенства (8) и равенства, приведённого выше, получаем полную проводимость Yth для источника тока гармоник в точке подключения:

Заметим, что импеданс Zth = 1/Yth используется для оценки действия нелинейной нагрузки на напряжение на выводах в точке подключения. Если Zth очень высок на какой-то частоте, то на выводах возникает напряжение заметной величины с этой частотой.

На рис. 9 показан импеданс в точке подключения при нелинейной нагрузке, когда в системе распределения электроэнергии установлена гибридная конденсаторная батарея. Исследуются 4 различных значения параметра управления К. Так как преобладающими гармониками являются 5-я и 7-я, основное внимание уделяется диапазону частот от 100 Гц до 2 кГц. При К = 0 на частоте около 250 Гц импеданс очень высок из-за параллельного и/или последовательного резонанса. Поэтому в точке подключения из-за нелинейности нагрузки может возникнуть напряжение 5-й гармоники значительной величины. Если значение К равно 5 Ом, пик значения импеданса в районе 250 Гц намного меньше. Однако небольшой резонанс вблизи частоты 250 Гц всё же имеется. Если увеличить К до 20 Ом, оказывается, что импеданс в диапазоне частот от 300 Гц до 2 кГц почти постоянен, а на частотах преобладающих гармоник не имеется значительных пиков. При К = 40 Ом наблюдается возрастание импеданса на частоте около 2 кГц. Он может стать причиной увеличения гармоник напряжения высокого порядка.

В идеальном случае, если значение К очень велико (K = ∞), значение импеданса линейно пропорционально частоте в диапазоне от 100 Гц до 2 кГц и достигает постоянного значения 60 Ом (35,5 дБ) на частотах выше 2 кГц (см. рис. 9). Эта характеристика похожа на характеристику параллельного соединения резистора и индуктивности. Таким образом, увеличение К не может стать причиной гармонического резонанса, но может привести к увеличению гармоник напряжения. Поэтому наиболее подходящим для этой системы является значение 20 Ом. Заметим, что на частотах выше 4 кГц импеданс становится высоким независимо от величины К. Однако это не может привести к увеличению напряжения гармоник из-за незначительности величин токов гармоник в этом диапазоне частот.

Анализ гармонического резонанса и его подавления

Последующий анализ выполнен для режима работы с нагрузкой, чтобы исследовать резонанс, возникающий из-за нелинейной нагрузки, и его подавление. Рассмотрим импедансы для четырёх различных конфигураций системы. Первая конфигурация – это распределительная система энергоснабжения без шунтирующих конденсаторов. Вторая – это система только с шунтирующим конденсатором. Третья – это система с последовательно соединёнными конденсатором и реактором с индуктивностью 8 мГн. Последняя конфигурация – это система с гибридной конденсаторной батареей и параметром управления К, равным 20 Ом.

На рис. 10 показан импеданс Zth в точке подключения при нелинейной нагрузке с четырьмя различными конфигурациями системы. При отсутствии конденсатора импеданс линейно связан с частотой в диапазоне от 100 Гц до 2 кГц и достигает постоянного значения 60 Ом (35,5 дБ) на частотах выше 2 кГц подобно характеристике импеданса при подключенной гибридной конденсаторной батарее с К = ∞ на рис. 9. Это означает, что на высоких частотах Zth ведёт себя, как резистор Rl. Даже если импеданс высок, токи гармоник на частотах выше 2 кГц в реальных системах очень малы. Это явление можно назвать нормальным, так как ветви с индуктивностями Ls, Lf и Ll всегда являются открытыми для высоких частот. Поэтому в таком случае резонанс отсутствует. Основное внимание должно быть уделено частотам гармоник в интервале от 100 Гц до 2 кГц.

Таблица № I. Токи напряжения гармоник (рис.12)

Напряжения и токи Нагрузка без конденсатора Нагрузка с конденсатором Нагрузка с гибридной батареей
1-я 5-я 7-я КГИ 1-я 5-я 7-я КГИ 1-я 5-я 7-я КГИ
VT, В 216 4,08 2,21 2,92% 226 14,2 2,92 6,49% 225 4,37 2,53 2,71%
IS, А 5,94 0,20 0,10 4,33% 4,47 1,17 0,25 26,9% 4,47 0,26 0,17 7,31%
IL, А 5,92 0,20 0,10 4,32% 6,27 0,16 0,14 4,38% 6,30 0,24 0,11 4,75%
IC, А 0 0 0 0 3,74 1,33 0,37 37,2% 3,75 0,11 0,08 5,38%

Реальное напряжение источника не является чисто синусоидальным.

При подключении только конденсатора возникает гармонический резонанс на частоте 250 Гц с увеличением импеданса до 60 Ом (35,5 дБ). Это может привести к усилению 5-й гармоники напряжения в точке подключения. При подключении последовательного соединения LC частота резонанса системы изменяется с 250 Гц до 180 Гц, а максимальное значение импеданса не меняется. Такая схема может привести к созданию условий для резонанса вблизи частоты 3-й гармоники. Гибридная конденсаторная батарея может успешно подавлять гармонический резонанс. Импеданс на частотах от 330 Гц до 2 кГц становится примерно равным 14 Ом (23 дБ). Это означает, что в этом диапазоне гармонический резонанс подавляется.

Экспериментальные результаты

Конфигурация экспериментальной системы и её параметры приведены на рис. 3. Описанные ниже опыты проводились в режимах с полной нагрузкой и без активной нагрузки. Также исследовались динамические характеристики гибридной конденсаторной батареи. Параметр управления К установлен равным 20 Ом.

Переходный процесс

Переходный процесс гибридной конденсаторной батареи приведён на рис. 11. Основное внимание уделено режиму с полной нагрузкой, чтобы оценить возможности гибридной конденсаторной батареи как по подавлению гармоник, так и по повышению коэффициента мощности. Перед включением гибридной батареи два МОП-транзистора в нижнем плече должны быть открыты, чтобы не допустить перенапряжения на конденсаторе постоянного тока Cdc. Шунтирующие конденсаторы подключены непосредственно к источнику без преобразователей. Поэтому ток источника is заметно искажён из-за гармонического резонанса. После активации гибридной батареи напряжение постоянного тока vdc постепенно увеличивается. После 8 периодов основной частоты (160 мс) vdc достигает опорного напряжения постоянного тока 20 В. В результате форма тока is становится близкой к синусоидальной.

Режим работы с полной нагрузкой

На рис. 12 показаны установившиеся формы сигнала в режиме с нагрузкой. В таблицу I сведены результаты быстрого преобразования Фурье токов и напряжений, в таблице II приводятся эффективные значения токов и напряжений, а также коэффициента мощности и выходной мощности. До установки конденсатора или гибридной конденсаторной батареи гармонического резонанса нет (рис. 12а). Эффективные значения напряжения на выводах vT и тока источника iS равны соответственно 216 В и 5,9 А. Значение КГИ vT составляет 2,92%, так как имеются гармоники тока нелинейной нагрузки, а также гармоники напряжения реального источника. Коэффициент реактивной мощности (КРМ) и коэффициент мощности системы (КМ) равны 0,7 (при отстающем токе). Общая активная мощность, потребляемая всеми нагрузками, P0 составляет 2,71 кВт.

Таблица № II. Эффективные значения напряжений и токов, входной мощности, коэффициента мощности и мощности на загрузке (рис.12)

Условия VT IS IL IC КРМ КМ Po
Без конденсатора 216 В 5,9 A 5,9 A 0 A 0,70 0,70 2707 Вт
Только конденсатор 227 В 4,6 A 6,3 A 4,0 A 0,99 0,95 2985 Вт
Гибридная батарея 225 В 4,5 A 6,3 A 3,8 A 0,99 0,98 2972 Вт

Все значения КРМ и КМ при отстающем токе.

Таблица № III. Значения гармоник токов и напряжений (рис.13)

Напряжения и токи Нагрузка без конденсатора Нагрузка с конденсатором
Эфф. знач. 1-я 5-я 7-я КГИ Эфф. знач. 1-я 5-я 7-я КГИ
VT, В 226 225 24,6 3,82 11,2% 224 224 4,68 3,10 3,10%
IS, А 2,69 1,72 2,05 0,30 120,3% 1,83 1,79 0,28 0,17 19,1%
IL, А 4,72 4,70 0,32 0,16 8,39% 4,83 4,82 0,26 0,10 6,47%
IC, А 4,42 3,74 2,31 0,47 63,3% 3,80 3,79 0,13 0,11 6,52%

Реальное напряжение источника не является чисто синусоидальным.

При установке только конденсатора эффективное значение vT становится равным 227 В. КРМ и КМ повышаются соответственно до 0,99 и 0,95. Конденсатор проводит ток IC, равный 4,0 A. Эффективное значение iS уменьшается до 4,6 А, а общая мощность нагрузки увеличивается до 2,99 кВт (см. табл. II). Однако форма vT, iS и iC сильно искажена из-за гармонического резонанса, как показано на рис. 12b. Значения КГИ vT, iS и iC равны соответственно 6,49%, 26,9% и 37,2% (см. табл. I).

При установке гибридной конденсаторной батареи (рис. 12с) форма vT, iS и iC становится близкой к синусоидальной. Значения КГИ vT, iS и iC уменьшаются соответственно до 2,71%, 7,31% и 5,38%. Важно отметить, что так как гибридная конденсаторная батарея не предназначена для компенсации токов гармоник, производимых нелинейными нагрузками, значение КГИ может превышать требования стандарта IEEE Std. 519-1992. Однако при этом, как и ожидалось, гармонического резонанса нет, а коэффициент мощности несколько повышается (до 0,98 при отстающем токе). Эффективные значения vT, iS и iC несколько уменьшаются (соответственно до 225 В, 4,5 A и 3,8 A). Мощность, потребляемая всеми нагрузками, равна 2,97 кВт. Таким образом, гибридная конденсаторная батарея может повысить коэффициент мощности системы без гармонического резонанса.

Режим работы без активной нагрузки

На рис. 13 показаны полученные формы сигнала без активной нагрузки. В таблицу III сведены результаты быстрого преобразования Фурье напряжений и токов. Обычно в режиме без нагрузки гармонический резонанс более сильный, потому что активная нагрузка может его подавлять. Чтобы оценить работу гибридной конденсаторной батареи в самом худшем случае, активная нагрузка отключается от экспериментальной установки, а индуктивная и нелинейная нагрузки остаются подключенными.

При установке только конденсатора vT, iS и iC сильно искажены, как показано на рис. 13а. Напряжение 5-й гармоники и КГИ возрастают соответственно до 24,6 В и 11,2%. 5-я гармоника тока iS больше 119% тока основной частоты. Значение КГИ iS достигает 120,3% (см. табл. III), а значение КГИ iC - 63,3%.

При установке гибридной батареи (рис. 13b) форма vT и iC близка к синусоидальной. Напряжение 5-й гармоники сильно уменьшается (до 4,68 В). Значения КГИ vT и iC уменьшаются соответственно до 3,1% и 6,52%. Хотя iS искажён из-за тока гармоник нелинейной нагрузки, значение КГИ сильно уменьшено (с 120,3% до 19,1%). Заметим, что гибридная конденсаторная батарея не предназначена для проведения токов гармоник. Таким образом, гибридная конденсаторная батарея может подавлять гармонический резонанс независимо от нагрузки. Также уменьшаются эффективные значения vT и iC из-за отсутствия гармонического резонанса. Это означает, что номинальные значения напряжения и тока гибридной конденсаторной батареи меньше, чем обычной.

Изменение нагрузки

Для наблюдения динамической характеристики гибридной конденсаторной батареи производилось резкое увеличение и уменьшение активной нагрузки на 50% при активированной батарее. При этих опытах индуктивная и нелиненйная нагрузки оставались неизменными. На рис. 14 показаны полученные формы сигнала при увеличении активной нагрузки с 1,2 кВт до 2,4 кВт. В этом случае коммутация нагрузки осуществлялась в момент, близкий к точке отрицательного максимума напряжения, так как гибридная конденсаторная батарея может быть деактивирована, когда напряжение в максимуме.

В момент замыкания выключателя нагрузки все напряжения и токи имеют заметные искажения из-за протекания пускового тока. Хотя этот переходной процесс возникает и затухает в течение несколько миллисекунд, гибридная конденсаторная батарея не отключается, а продолжает корректировать коэффициент мощности и предотвращать гармонический резонанс.

На рис. 14 показаны полученные формы сигнала при уменьшении активной нагрузки с 2,4 кВт до 1,2 кВт. В этом случае нагрузка отключалась в момент, близкий к точке перехода напряжения через ноль. При этом переходный процесс отсутствует, то есть характеристики переходного процесса зависят от момента времени включения или отключения нагрузки. Однако гибридная конденсаторная батарея работает непрерывно независимо от момента коммутации. Это говорит о том, что предлагаемая конденсаторная батарея является эффективной, надёжной и устойчивой.

143405, Московская область, г. Красногорск, ул. Ильинский тупик, д.6, Бизнес-центр "Березовая роща", офис 5.
Тел.: +7 (495) 981-98-39, +7 (495) 642-58-82, +7 (498) 653-40-68, факс:+7 (498) 653-40-69.
E-mail: sales@khomovelectro.ru. Время работы: с 8:00 до 17:00. © 2017 «Хомов электро»