Установка конденсаторной батареи приводит к снижению Q, благодаря чему уменьшается падение напряжения. Если в результате неправильного расчета емкости конденсаторной батареи "реактивный" компонент уравнения станет отрицательным, вместо снижения падения напряжения мы получим повышение напряжение на конце линии (эффект Феранти), что может быть опасным для подключенных к ней нагрузок.
Ниже приведен пример, иллюстрирующий изложенные выше положения:
- Потери активной мощности (кВт) для медного кабеля 3х25 мм2, питающего нагрузку 40 кВт/400 В, в функции cos ?;
- Выдаваемая трансформатором мощностью 100 кВА активная мощность, в функции cos ?.
|
cos φ
|
1)
|
2)
|
|
0,5
|
3,2
|
50
|
|
0,6
|
2,3
|
60
|
|
0,7
|
1,6
|
70
|
|
0,8
|
1,3
|
80
|
|
0,9
|
1
|
90
|
|
1
|
|
100
|
Нетрудно видеть, что с ростом коэффициента мощности снижаются потери в сети и растет активная мощность, которую можно снять с трансформатора при одной и той же полной мощности (кВА).
Это позволяет оптимизировать параметры оборудования распредсистемы.
Расчет компенсирующего устройства: гармоники в сети
Искажения формы напряжения и тока вызываются нелинейными нагрузками (инверторами, насыщающимися трансформаторами, выпрямителями и т.д.). Они могут приводить к следующим проблемам:
- На двигателях переменного тока наблюдается повышенная вибрация, которая может снизить их срок службы. Повышение потерь приводит к перегреву и ускоренному старению изоляции.
- В трансформаторах возрастают потери в стали и в меди, что может привести к повреждению обмоток. Присутствие постоянной составляющей в токе приводит к насыщению магнитопровода и росту тока намагничивания.
- Конденсаторы страдают от перегрева и перенапряжений, что снижает их срок службы.
На рис. 1 показана форма тока (или напряжения), создаваемого нелинейной нагрузкой. Она представляет собой периодическую функцию и может быть представлена как сумма множества синусоидальных составляющих. Составляющая с частотой 50 Гц называется основной гармоникой, а составляющие с кратными 50 Гц частотами – высшими гармониками или просто гармониками.
Установка систем коррекции коэффициента мощности без учета картины с высшими гармониками не рекомендуется. Это связано с тем, что даже при применении усиленных конденсаторов, устойчивых к перегрузкам, их установка может привести к росту токов гармоник и различным негативным последствиям. Например, при равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений, возникает явление резонанса:
Идеальный источник тока на схеме замещения моделирует двигатель, представляющий собой источник гармоник. Ток указанных гармоник не зависит от индуктивности внешней цепи. Индуктивность LCC, образующая с конденсатором С колебательный контур, представляет собой индуктивность на стороне источника питания системы (обычно она соответствует индуктивности короткого замыкания трансформатора). Резонансная частота контура при этом составит:
Scc – мощность короткого замыкания сети (МВА)
Q – мощность конденсаторной батареи КРМ (квар)
A – номинальная мощность трансформатора (кВА)
Vcc% - напряжение короткого замыкания трансформатора, %
N – порядок резонансной гармоники
При параллельном резонансе в цепи ток и напряжение в контуре LCC – C резко возрастают, и то же самое происходит с близкими к резонансной частоте токами гармоник.
Например:
A = 630 кВА (номинальная мощность трансформатора)
Vcc% = 6 (напряжение короткого замыкания, %)
Q = 300 квар (реактивная мощность батареи КРМ)
Полученный результат означает, что контур "трансформатор – конденсаторная батарея" имеет частоту параллельного резонанса 300 Гц (Nx50 Гц). Это означает высокую вероятность усиления токов 5-й и 7-й гармоник.
Наиболее удобным решением, позволяющими избежать резонанса, является использование расстраивающего фильтра, который образуется при установке дополнительного реактора последовательно с конденсаторами. При этом образуется более сложная цепь, которая тоже склонна к резонансу, но частота его лежит ниже частоты первой имеющейся гармоники.
При использовании данного решения, частота параллельного резонанса
Обычно резонансная частота между конденсатором и последовательной индуктивностью сдвигается ниже 250 Гц и принимается между 135 и 210 Гц. При этом более низкие частоты соответствую повышению нагрузки из-за гармоник.
При установке индуктивности последовательно с конденсатором частота последовательного резонанса составляет:
Если в системе присутствует ток гармоники Ih с частотой, равной частоте последовательного резонанса, этот ток будет полностью зашунтирован колебательным контуром и не попадет в сеть. Это явление можно использовать для снижения суммарного коэффициента искажений тока (THD) в системе:
I1 – составляющая с частотой основной гармоники (50 Гц) в общем токе;
I3 , I5… - гармоники с частотами кратными частоте основной гармоники (150 Гц, 250 Гц, 350 Гц, ...)
Выбор параметров резонансных/пассивных фильтров связан со следующими характеристиками системы:
- импеданс сети (ослабление гармоник тем выше, чем ниже мощность короткого замыкания сети; в некоторых случаях целесообразно устанавливать последовательно с линией реактор для повышения эффективности фильтрации);
- присутствие других нагрузок, генерирующих гармоники в других узлах сети;
- типы конденсаторов.
По последнему пункту хотелось бы отметить следующее. Конденсаторы, как известно, постепенно теряют емкость с течением времени, что неизбежно приводит к изменению резонансной частоты:
Это явление может быть опасным, поскольку в системе могут возникнуть условия для появления параллельного резонанса. В этом случае фильтр не только не поглощает гармоники, но и даже усиливает их. Для того, чтобы гарантировать постоянство емкости, мы используем специальные конденсаторы на базе фольгированной бумаги и полипропилена с масляной пропиткой. Помимо пассивных фильтров, состоящих из конденсаторов и реакторов, для подавления гармоник применяется и другой тип фильтров – активные фильтры. Их принцип действия основан на вводе токов, находящихся в противофазе с токами гармоник, создаваемыми нелинейными нагрузками.
Расчет компенсирующего устройства: присутствие искажений напряжения
Во многих промышленных системах электроснабжения, а также коммерческом секторе, присутствуют нелинейные нагрузки (инверторы, сварочные аппараты, газоразрядные лампы компьютеры, электроприводы и т.д.), которые искажают форму тока. Для учета их влияния используется параметр THDI%.
Если ток синусоидален, то THDI% равен нулю; чем больше искажения, тем выше THDI%.
В системах с очень сильными искажениями тока оборудование для коррекции коэффициента мощности выполняется в виде "батарей с фильтрами" (или "антирезонансных", "отстроенных" и т. п. батарей), содержащих реакторы, не позволяющие токам гармоник протекать через конденсаторы и снижать их срок службы.
Обычно напряжение в сети остается синусоидальным даже при очень сильных искажениях тока. Однако, если внутреннее сопротивление трансформатора СН/НН велико, возможно искажение формы напряжения. В этом случае несинусоидальный ток вызывает падение напряжения на указанном сопротивлении, форма которого соответствует форме тока. Как следствие, к потребителям на стороне НН поступает несинусоидальное напряжение (с некоторым THDV%).
Значение THDV% довольно редко достигает 8% (предел, установленный МЭК EN 50160), но это возможно, если, например, трансформатор СН/НН имеет большое внутреннее сопротивление и/или перегружен (насыщен).
На объекте с искажениями напряжения могут возникать различные проблемы, характер которых зависит от имеющегося оборудования (поломка или ненормальная работа электронных устройств, таких как реле, ПЛК, контроллеры, компьютеры, выпуск несоответствующей продукции и т.п.). Применительно к задачам коррекции коэффициента мощности, высокий THDV% негативно влияет на отсекающие реакторы, используемые в установках компенсации реактивной мощности.
Это может приводить к насыщению и перегреву реакторов, вплоть до их выхода из строя, и/или проблемам с конденсаторами, что потребует отключения батареи, используемой для коррекции коэффициента мощности. Это влечет за собой убытки (штрафы за низкий cos ?) и проблемы технического плана, связанных с увеличением токов через линии (кабели, шины) и трансформаторы.
Для подобных случаев компания Хомов электро разработала специальные серии устройств КРМФ. В них применяются усиленные конденсаторы на основе пленки с двусторонней металлизацией и качественные измерительные приборы для контроля электрических параметров. Высокая линейность реактивного сопротивления позволяет длительно работать при THDV до 8% включительно.
Расчет компенсирующего устройства: присутствие солнечных энергоустановок
Если на объекте промышленного потребителя установлена солнечная электростанция, активная мощность, потребляемая из сети, снижается, поскольку она вырабатывается солнечной энергоустановкой и потребляется непосредственно на объекте.
Как следствие, изменяется соотношение между активной и реактивной мощностями, потребляемыми из сети, и коэффициент мощности с солнечной энергоустановкой оказывается ниже, чем без нее. Поэтому, во избежание штрафов за низкий коэффициент мощности, особое внимание должно быть коррекции коэффициента мощности, т.к. в противном случае низкий cos ? может свести на нет все выгоды от собственной электростанции.
Рассмотрим коррекцию коэффициента мощности как с точки зрения установленной мощности, так и с точки зрения конструкции. Увеличение коэффициента мощности фактически меняет условия возникновения резонанса с участием питающего систему трансформатора СН/НН. Если солнечная энергоустановка в состоянии выработать больше электроэнергии, чем потребляется в текущий момент, избыточную энергию можно отдавать в сеть. В этом случае корректор коэффициент мощности должен иметь возможность работы во всех четырех квадрантах. При этом два "стандартных" квадранта используются при работе потребителей, потребляющих из сети как активную, так и реактивную мощность, а два дополнительных – для работы объекта в качестве "генератора", когда активная мощность отдается в сеть, хотя реактивная мощность все равно потребляется.
Все электронные контроллеры cos ?, выпускаемые компанией Хомов электро, способны работать в четырех квадрантах. При этом можно задавать два целевых значения cos ? для оптимизации экономических показателей системы. Для "генерирующих" квадрантов может изменять ряд настроек. Рекомендуется задавать величину, равную 1, для оптимизации работы батареи КРМ. Более подробная информация по контроллерам cos ? приведена в соответствующих руководствах по эксплуатации. Для получения максимальной выгоды от установки батареи КРМ, мы рекомендуем применение конденсаторов на основе бумаги с двусторонней металлизацией, поскольку только такие конденсаторы гарантируют срок службы, соизмеримый со сроком службы солнечной энергоустановки.
