АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ (ПЕРЕПАДОВ) НАПРЯЖЕНИЯ

УДК 681.5

Д.О. Задворнов, В.А. Каракозова, В.А. Тоскунов, И.О. Христич

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ

(ПЕРЕПАДОВ) НАПРЯЖЕНИЯ

Аннотация. Даны определения области применения системы компенсации (перепадов) напряжения, предназначенной для поддержания заданного уровня напряжения в сети в пределах защищаемого оборудования. Проведен анализ влияния качества электрической энергии на работу технологического оборудования. Определены методы повышения качества электрической энергии и структура работы система компенсации искажений напряжения.

Ключевые слова: системы компенсации искажений (перепадов) напряжения, качество электрической энергии, микропроцессорные системы управления, частотные преобразователи, провалы напряжения, показатели качества

D.O. Zadvornov, V.A. Karakozova, V.A. Toskunov, I.O. Hristich

AUTOMATIC COMPENSATION OF VOLTAGE DIPS IN POWER SUPPLY

Abstract. Applicability areas of voltage compensation systems (voltage dips), designed to maintain a given voltage level in the network within the protected equipment, are defined. Analysis of the influence of electrical energy quality on the operation of technological equipment is carried out. The methods for upgrading the quality of electrical energy and structure of SKPN enterprise are developed.

Keywords: voltage distortion (dips) compensation systems, electrical energy quality, microprocessor control systems, frequency converters, voltage dips, quality indicators

ВВЕДЕНИЕ

Показатели и нормы качества электрической энергии строго регламентированы соответствующими документами, и организации-поставщики электрической энергии обязаны поддерживать заданные параметры сети, в том числе и уровень питающего напряжения и его симметрии. В зависимости от подключенных потребителей значения показателей качества меняются, зачастую не в лучшую сторону. При значительных отклонениях это может приве-34

сти к сбою в работе технологического оборудования, что в свое время может привести к его полному выходу из строя. Особое значение поддержание качества энергии приобретает при питании удаленных потребителей по ограниченным линиям мощности.

Топологией построения сети является совокупность различных электрических установок, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии. На территории Российской Федерации применена классическая схема передачи электрической энергии в виде трехфазной системы переменного тока, изобретенная М.О. Доливо-Добровольским. Линии электропередачи в большинстве своем воздушные. С целью обеспечения устойчивости силового оборудования строят подстанции, распределительные устройства, которые используют системы автоматического регулирования уровня напряжения в целях технически допустимых условий работы системы электроснабжения в моментах пикового потребления. Но на подстанциях обычно подбирается оборудование по условию обеспечения кратковременных пиковых нагрузок, тогда как основное время энергосистема работает с незначительным коэффициентом загрузки.

Создание электрических сетей со значительным запасом мощности, во-первых, требует значительных капиталовложений, а во-вторых, вызывает дополнительный нерациональный расход электроэнергии.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА РАБОТУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Система компенсации искажений (перепадов) напряжения (СКПН) предназначена для обеспечения качества питающей сети технологических установок, цехов или предприятия в целом. Основной задачей, выполняемой СКПН, является компенсация перепадов напряжения питающей сети в пределах от 10 до 50 % согласно ГОСТ Р 32144-2013, производить компенсацию несимметричности и полного провала напряжения от 2 до 15 секунд.

Для различных типов электрических сетей установлены свои параметры оценки качества электрической энергии. Качество является одним из самых основных показателей, обеспечение которого необходимо для нормального функционирования технологических процессов. Небольшие изменения напряжения питания или искажения симметрии могут привести к остановке технологических процессов предприятия, что впоследствии приведет к неизбежным убыткам и, возможно, поломке или утрате дорогостоящего оборудования.

Сильное влияние искаженного напряжения имеют компьютерные системы, программные логические контроллеры, микропроцессорная техника, различные преобразователи частоты, реле, двигатели, приводящие в движение конвейерные линии, насосы и аналогичные устройства. В критических ситуациях всего один провал напряжения может привести к неисправимым последствиям с выходом из строя целых систем или отдельных устройств, что приведет к крупным затратам на восстановление оборудования и технологического процесса.

Примером влияния служат различные технологические процессы обработки материалов, станки с ЧПУ, различные перекачивающие станции, конвейерные линии производства, литье под давлением, экструзивные процессы, обработка пищевых продуктов и различные

35

процессы, связанные с продуктами, могут привести не только к испорченному оборудованию, но и браку изделий, изготавливаемых на данной технологической линии.

Для оценки качества необходимо руководствоваться нормативными документами ГОСТ Р 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», международные стандарты IEEE 1250-2018 - IEEE Guide for Identifying and Improving Voltage Quality in Power Systems (Руководство IEEE по определению и улучшению качества напряжения в энергосистемах), IEEE 1346-1998 - IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility With Electronic Process Equipment (Рекомендуемая практика IEEE для оценки совместимости электроэнергетических систем с электронным технологическим оборудованием).

Основными причинами низкого качества электроснабжения является пониженное напряжение в линии электропередачи, причинами зачастую являются недостаточные мощности генерации электроэнергии и ее дальнейшей трансформации в подстанциях. Ввиду недостаточной мощности распределительного трансформатора распределение напряжения по потребителям приведет к падению напряжения, помимо этого, при неправильном распределении потребителей в распределительной сети напряжение будет иметь место перекос фаз. Согласно статистике, самым распространенным случаем низкого качество электроэнергии (более 92 %) являются провалы напряжения относительно небольшой глубины (до 30...40 %) и длительностью до 1.3 с.

В ГОСТ Р 32144-2013 указаны следующие основные показатели качества электрической энергии [1].

Номинальное напряжение - напряжение, для которого предназначена электрическая сеть, и применительно к которому устанавливают ее рабочие характеристики.

Колебания напряжения - изменение среднеквадратического значения напряжения между двумя последовательными уровнями установившегося напряжения.

Опорное напряжение - значение напряжения, применяемое в качестве основы при установлении остаточного напряжения, пороговых значений напряжения и других характеристик провалов, прерываний напряжения и перенапряжений.

Прерывание напряжения - ситуация, при которой напряжение в системе электроснабжения меньше 5 % опорного напряжения.

Провал напряжения - временное уменьшение напряжения ниже установленного порогового значения.

Перенапряжение - временное возрастание напряжения выше установленного опорного значения.

Длительность провала напряжения (перенапряжения) - интервал времени между моментом, когда напряжение падает ниже (возрастает выше) опорного, и моментом, когда напряжение возрастает выше (уменьшается ниже) опорного значения.

Среднеквадратическое значение напряжения, обновляемое для каждого периода, -среднеквадратическое значение напряжения, измеренное на интервале времени, равном одному периоду основной частоты, обновляемое для каждого периода.

До 70 % искажений напряжения возникают в результате короткого замыкания в сетях среднего напряжения, вторая основная причина - это пусковые токи машин и механизмов на базе устройств современной электроники, коммутации в сети. Учитывая, что для ряда зарубежной техники существуют ограничения на уровень перенапряжений, устройства защиты должны включать защиту от перенапряжений до уровней, допустимых по ГОСТ Р 54149-2010.

Основные причины остановки производственной линии при падении напряжения представлены в таблице.

Причины остановки производственной линии

Напряжения, % от номинального Отключение оборудования

95 ... 85 Современные газоразрядные металло-галогеновые лампы

85 ... 75 Частотно-регулируемые приводы

75 ... 67 Источники питания постоянного тока автоматики и контрольно -измерительного оборудования

70 ... 55 Отключение электромеханических реле

55 ... 40 Отключаются импульсные блоки питания компьютеров

50 ... 40 Отключаются электромагнитные контакторы

40 ... 0 Падение скорости вращения асинхронных двигателей

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Определение соответствующих методов повышения качества электрической энергии и характеристика систем электроснабжения позволит устранить отдельные систематические искажения (провалы) напряжения на конкретном участке питающей сети. Учитывая, что в трехфазных системах энергоснабжения за начало провала напряжения принимают момент, когда напряжение хотя бы в одной из фаз падает ниже порогового значения питающей сети (более 10 % от номинала). Концом искажения (провала) является переход фактического напряжение во всех фазах выше порогового значения провала напряжения.

Вариантов повышения качества электрической энергии несколько:

• Обновление и повышение мощности электрических сетей с большим запасом мощности.

• БАВР - быстродействующий автоматический ввод резерва.

• Установка систем бесперебойного питания.

• ДКИН - динамическая компенсация искажения напряжения.

Обновление и повышение мощности электрических сетей со значительным запасом мощности требует в первую очередь огромного капиталовложения, а во вторую - вызывает дополнительный и нерациональный расход электрической энергии.

Использование БАВР возможно только при наличии на предприятии дополнительной резервной сети электропитания. Принцип работы БАВР - это контроль напряжения в сети по

37

всем фазам, как только напряжение падает ниже 40 % от номинала питающей сети, происходит автоматическое переключение на источник резервного питания. Среднее время переключения - от 0,1 с.

Данная система не позволит в полной мере повысить качество электрической энергии при искажении (перепаде) напряжения от 10.40 %; помимо этого, велика вероятность синфазного включения при различии рабочего и резервного напряжения по фазе, что неблагоприятно отразится на потребителях.

Помимо этого, система БАВР, как минимум, в 5 раз превышает допустимый провал напряжения для устройств управления технологическим процессом, выполненных на базе микроконтроллеров.

Системы бесперебойного имеют схожий принцип работы с АВР и подразделяются на 3 основных типа:

Интерактивная система бесперебойного питания, имеющая на входе дополнительно ступенчатый стабилизатор напряжения, который позволяет получить регулируемое напряжение, но при этом не способен устранять перекосы напряжения, корректировать частоту и несинусоидальность.

Рис. 1. Интерактивная система ИБП

Резервная система, которая в нормальном состоянии обеспечивает питание потребителя от питающей сети, при этом не имея никаких корректирующих устройств по входу, при искажении более 40 % от норматива или полной пропаже напряжения переключается на аккумуляторы, используя простой инвертор. 38

Онлайн система - самая высокопроизводительная схема ИБП, при которой происходит двойное преобразование электрической энергии: сначала из сети берется переменное напряжение, проходя через выпрямитель, оно накапливается в батарее, затем подается на инвертор, где преобразуется в переменный и идет потребителю. В данной системе, на первый взгляд, все отлично, напряжение питания потребителя генерируется с аккумулятора, в котором всегда есть запас энергии, и сложно допустить полный провал напряжения. Но КПД данной системы всего лишь 80 %, она обладает повышенным тепловыделением и высоким уровнем шума, стоимость данной системы очень высока ввиду необходимости использования большого количества аккумуляторных батарей, которые в наше время слишком дороги.

Рис. 2. Резервная система ИБП

Рис. 3. Online ИБП

Известны несколько функциональных типов ДКИН:

- многофункциональные устройства, компенсирующие отклонения, колебания, искажения и провалы напряжения;

- устройства, компенсирующие колебания и провалы напряжения при появлении скачкообразного возмущения;

- устройства, предназначенные для компенсации только провалов напряжения.

Более эффективно использование системы динамического компенсатора искажений

напряжения с двойным преобразованием, с возможностью длительной компенсации искажений и возможностью компенсации высших гармоник. ДКИН состоит из бустерного (вольто-добавочного) трансформатора, выпрямителя и инвертора на ЮВТ транзисторах, системы байпас и электронной системы управления.

Работа ДКИН основана на принципе упреждающей коррекции с мгновенной (250 мкс) реакцией на изменения векторов напряжения (амплитуд и фаз) в контрольной точке системы электроснабжения.

Стандартный ДКИН не требует накопления и хранения энергии, поскольку он извлекает необходимую дополнительную мощность для обеспечения коррекции напряжения от источника питания. Схема ДКИН представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема ДКИН

При просадке/повышении напряжения в сети или перекосе фаз ДКИН вводит коррекцию к сетевому напряжению с помощью вольтодобавочного трансформатора (ТУ).

Напряжение трансформатора складывается с напряжением сети; таким образом, напряжение потребителя остается в допустимом диапазоне. Добавочное напряжение формируется преобразователем частоты, состоящим из инверторного модуля (ИМ), синус-фильтра (СФ) и выпрямительного модуля (ВМ). В случае неисправности ТУ шунтируется байпасным контактором (БК). 40

Подобная схема обладает следующими преимуществами:

1. Мощность преобразователя частоты меньше полной мощности защищаемого потребителя в два-три раза, что уменьшает стоимость и габариты преобразователя.

2. Для работы установки не требуется дополнительный источник энергии (аккумуляторная батарея) - энергия для компенсации берется из сети.

ПРЕДЛАГАЕМАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ

КОМПЕНСАЦИИ ПЕРЕПАДОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Для увеличения времени работы и получения возможности генерировать электроэнергию при полном исчезновении входного напряжения выполнено совмещение обычного ДКИН и системы накопления электроэнергии (СНЭ). СНЭ создают запас энергии во время штатной работы энергосистемы с последующей ее отдачей в систему в моменты пикового потребления или провалов напряжения сети, уменьшая тем самым зависимость потребителей от колебаний напряжения сети и улучшая качество электроэнергии для конечного потребителя. Схема такой СКПН представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема СКПН

В приведенной на рис. 5 схеме:

Активный выпрямитель - совместно с входным дросселем обеспечивает поддержание заряда накопителя энергии в режиме ожидания и компенсации провалов. В случае прерывания энергоснабжения переводится в режим автономного инвертора и обеспечивает электропитание потребителя от накопителя энергии.

Накопитель энергии - обеспечивает поддержание энергоснабжения потребителя при перерыве энергоснабжения, от емкости накопителя зависит длительность работы СКПН в данном режиме.

Инвертор - в режиме компенсации провалов входного напряжения обеспечивает коррекцию входного напряжения до номинального значения.

Вольтодобавочный трансформатор - обеспечивает согласование диапазона эффективного регулирования выходного напряжения типового инвертора с необходимым напряжением вольтодобавки, а также обеспечивает гальваническое разделение выходных цепей инвертора и линии электроснабжения, что позволяет суммировать выходное напряжение инвертора и ЭДС питающей сети.

В режиме ожидания через вторичную обмотку трансформатора протекает рабочий ток нагрузки, следовательно от характеристик трансформатора в большей степени зависит КПД при работе СКПН в данном режиме.

Выходной фильтр - предназначен для подавления высокочастотных составляющих тока, вызванных работой инвертора.

САУМЗ - система автоматики, управления, мониторинга и защиты является сложнейшей системой автоматического управления, которая требует высоких показателей надежности и быстродействия. Она обеспечивает взаимодействие с внутренними устройствами силовой части СКПН, датчиками, управляющим интерфейсом пользователя и внешними системами. Обеспечивает следующие основные функции:

- управления работой СКПН в ручном (местном) и автоматическом режимах;

- контроля качества электроэнергии в точке подключения СКПН;

- предотвращения работы СКПН и входящего в него оборудования в недопустимых режимах, длительной работы этого оборудования в граничных режимах и выхода из строя указанного оборудования;

- отображения информации о работе СКПН на собственном дисплее и элементах сигнализации;

- взаимодействия с АСУ ТП верхнего уровня.

СУ П - система управления преобразователем, обеспечивающая управление ключами выпрямителя и инвертора при помощи ШИМ - модуляции. СУ СК - система управления суперконденсаторами.

Панель оператора - сенсорная графическая операторская панель для систем промышленной автоматизации.

Коммутационное оборудование - обеспечивает подключение СКПН к сети и к нагрузке, обеспечивает шунтирование СКПН для проведения обслуживания и при возникновении аварийных ситуаций. Датчики - датчики тока, напряжения, температуры.

ВЫВОДЫ

Совмещение в СКПН СНЭ и ДКИН дает следующие преимущества.

Компенсация провалов напряжения до 50 % без ограничения длительности. В режиме компенсации напряжение на активный выпрямитель устройства поступает со стороны нагрузки и является стабилизированным.

В данном режиме работы энергия от накопителей не поступает, поэтому техническая возможность устройства компенсировать провалы напряжения в питающей сети определяется не емкостью накопительных конденсаторов, а характеристиками элементов схемы.

Компенсация провалов напряжения (до 50 %) осуществляется с помощью вольто-добавочного трансформатора. При более значительных провалах напряжения или пропадании напряжения сети активный выпрямитель переходит в режим генерации электроэнергии потребителям.

Генерация напряжения для потребителей - при исчезновении напряжения в сети либо глубоких провалах напряжения на время, зависящее от емкости накопителей. В качестве накопителей применены суперконденсаторы по причине большего срока службы и простоты обслуживания по сравнению с аккумуляторами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2. ГОСТ 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30:2008). Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии (с Поправкой).

3. ГОСТ 33073-2014. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (с Поправкой).

4. ГОСТ 34100.1 -2017/ISO/IEC Guide 98-1:2009. Неопределенность измерения. Ч. 1. Введение в руководства по выражению неопределенности измерения.

5. ГОСТ IEC 62040-3-2018. Системы бесперебойного энергоснабжения (UPS). Ч. 3. Метод установления эксплуатационных характеристик и требования к испытаниям.

6. Нестеров A^. Проектирование АСУТП: метод. пособие. Кн. 2. СПб.: Изд-во ДЕАН, 2009. 944 с.

7. Минаев И.Г. Теория автоматического регулирования: учеб. пособие. Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2004. 176 с.

8. Ершов С.В., Жабин Б.А. Особенности определения провалов напряжения в системах электроснабжения // Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. № 8. С. 97-102.

9. Dobush V.S., Shklyarskiy A.Yu. Voltage dips compensation via boosting transformer cascades // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. V. 11. № 6. Pp. 4275-4279.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Задворнов Даниил Олегович -

магистрант

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Каракозова Вера Алексеевна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Тоскунов Вячеслав Александрович -

инженер-конструктор, ООО «Русское электротехническое общество»

Daniil O. Zadvornov -

Master student,

Yuri Gagarin State Technical

University of Saratov

Vera A. Karakozova -

PhD (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Technology and Control Systems in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Vyacheslav A. Toskunov -

Design Engineer, Russian Electrotechnical Company, Ltd.

Христич Игорь Олегович - Igor O. Hristich -

инженер-программист, ООО «Русское Software Engineer, Russian

электротехническое общество» Electrotechnical Company, Ltd.

Статья поступила в редакцию 15.05.21, принята к опубликованию 24.05.21