Влияние гармонического состава токов и напряжений на эффективность энергосбережения

УДК 621.311 Н.П. Боярская, В.П. Довгун

ВЛИЯНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

В статье анализируется характер влияния гармонического состава токов и напряжений в сетях с нелинейными электрическими нагрузками на эффективность энергосбережения. Рассматриваются виды искажений, которые вносятся такими электроприемниками.

Ключевые слова: качество электроэнергии, искажение напряжения, нелинейные нагрузки, гармоники.

N.P. Boyarskaya, V.P. Dovgun INFLUENCE OF CURRENT AND VOLTAGE HARMONIC STRUCTURE ON THE ENERGY- SAVING EFFICIENCY

Influence nature of current and voltage harmonic structure in the networks with nonlinear electric loadings on power- saving efficiency is analyzed in the article. Distortion kinds which are brought by such electric receivers are considered.

Key words: electric power quality, voltage distortion, nonlinear loadings, harmonics.

В последнее время все большее внимание уделяется качеству электрической энергии, поставляемой промышленным объектам, сельскому хозяйству и жилому сектору. Термин «качество электроэнергии» стал одним из ключевых в электроэнергетике. В стандарте 1ЕЕЕ 1159 термин «обеспечение качества электроэнергии» определяется как «концепция конструирования цепей питания и заземления в чувствительном оборудовании, так как это подходит для работы этого оборудования и совместимо с используемой системой питания и другим соединенным с ней оборудованием» [1; 3]. В промышленно развитых странах, в том числе и в России, разработаны стандарты, регламентирующие основные параметры, характеризующие качество электроэнергии, а также методы измерения и контроля этих параметров [3-4].

Одной из главных причин ухудшения качества электроэнергии в распределительных сетях является увеличение числа нелинейных устройств, создающих при своей работе токи несинусоидальной формы. Такими устройствами являются импульсные источники питания, приводы электродвигателей с регулируемой скоростью вращения, пускорегулирующие аппараты для электролюминесцентных ламп и множество других устройств. Токи и напряжения несинусоидальной формы можно представить в виде суммы гармоник, частоты которых кратны основной частоте питающей сети.

Широкое распространение получили электронные системы управления технологическими процессами и компьютерные устройства, которые очень чувствительны к плохому качеству электроэнергии. По причине последней в сети возможно не только нарушение работоспособности оборудования, но и его повреждение. Возможны также и ложные срабатывания систем управления и преждевременный выход из строя силового оборудования. Кроме того, плохое качество электроэнергии отрицательно влияет на эффективность работы множества приборов на предприятиях и в учреждениях.

Высокий уровень содержания гармоник отрицательно влияет на распределительные сети и способен вызвать перегрев электродвигателей даже в нормальном режиме работы, что ведет к их преждевременному выходу из строя.

Нагрев изоляции кабельных изделий ухудшает изолирующие свойства и может привести к пробою изоляции. Нагрев практически любого оборудования сопровождается увеличением риска сбоев в работе этого оборудования и повышением вероятности его отказов. Высшие гармоники в питающих сетях могут вызывать сбои в работе компьютеров и создавать помехи при работе чувствительных аналоговых цепей.

Значительная часть современного электрооборудования чувствительна к ухудшению качества электроэнергии. Наличие гармоник тока, кратных основной частоте, может привести к ухудшению эффективности работы электрооборудования и выходу его из строя. Перечислим основные причины, вызывающие повышенный интерес к проблеме повышения уровня гармоник в электрических сетях [1; 5]:

1. Трансформаторы. Наличие гармоник высокого порядка вызывает нагрев обмоток и увеличение потерь в сердечниках от вихревых токов.

2. Электродвигатели. Высокий уровень содержания гармоник может привести к вибрациям и перегреву обмоток, вызывающему ускоренное старение изоляции.

3. Персональные компьютеры и измерительные устройства. Несинусоидальная форма токов и напряжений может повлиять на точность измерений и вызвать сбои в работе компьютеров.

4. Электромагнитная совместимость.

Подробный перечень воздействия высших гармоник на элементы сетей электроснабжения приведен в табл. 1 [1].

Таблица 1

Воздействие высших гармоник сетевой частоты на элементы сети

Элемент сети Последствие

Автоматические выключатели Сбои в работе

Конденсаторные батареи Перегрев, перегорание предохранителей, пробой изоляции

Защитное оборудование сети Ложные срабатывания, несрабатывание

Измерительные приборы Дополнительные ошибки измерений

Трансформаторы и реакторы Перегрев и повреждение изоляции

Электродвигатели Перегрев, усиление вибрации, усиление шума при работе

Телефоны Дополнительные шумы на частотах, кратных сетевой частоте

Линии электропередачи Перегрев

Электронные приборы и устройства Сбои при передаче и обработке данных, мерцание экранов, повышение или понижение напряжения питания

Лампы накаливания общего освещения Мерцание, снижение сроков службы

Рассмотрим, какие устройства вызывают появление высших гармоник в электрических сетях и, прежде всего, у сельскохозяйственных потребителей.

Осветительные установки. Широкое применение в производственных и бытовых сетях находят светильники с газоразрядными лампами. Их удельный вес в осветительной нагрузке отдельных производств доходит до 80-85%. Кроме того, такие лампы являются энергосберегающими, а, следовательно, их доля в общем и специальном освещении будет только возрастать. Но наряду с таким положительным показателем, как энергосбережение, такие лампы имеют существенный недостаток - нелинейную вольтамперную характеристику цепи дугового разряда, которая вносит искажения в форму кривой тока, потребляемого из сети. Можно сказать, что светильники с газоразрядными лампами генерируют гармоники высших порядков в питающей сети. Относительная величина гармоник высших порядков (в процентах к 1-й гармонике) приведена в табл. 2 [2].

Таблица 2

Относительная величина гармоник высших порядков

Номер гармоники Люминесцентные светильники с балластным сопротивлением Светильники с лампами

индуктивным индуктиноем- костным ДРЛ без компенсации ДРЛ с компенсацией ДНаТ с компенсацией

1 2 3 4 5 6

3 4 16-21 6,2-9 18 19

5 0,6 0,9-3 1,2-2,5 5,8-7,2 9,5

7 0,2 0,5-1,2 0,5-0,8 1-5,2 1-1,4

9 0,2 0,1-0,6 0,2-0,4 1-1,4 2,4-3

11 - 0,3-1,1 0,2 5,4-8,8 11

13 - 0,2-0,3 - 2,6-8,8 4,5-5,9

Окончание табл. 2

1 2 3 4 5 6

15 - 0,2 - 0,2-0,4 0,4-0,7

17 - 0,4 - 1-4,4 6,6-7,4

19 - 0,5 - 0,1-1 2,2-3,4

21 - 0,7 - 0,8-9 0,7-7,2

23 - - - 5-9,4 7-10

25 - - - 0,1-1 3-10

27 - - - 1,5-10,5 1-9

29 - - - 1,1-2 4,2-5,5

31 - - - 2,4-4,6 7,2-10,5

33 - - - 1,6-3,4 0,2

35 - - - 0,3-1 0,5-2

37 - - - 2,5-4,1 5-8,6

39 - - - 1,5-4,6 1,7-3,6

Как видно из табл. 2, во многих случаях величины гармоник значительно превосходят допустимые по ГОСТ 13109-97 уровни.

Использование светорегуляторов для ламп накаливания также способствует энергосбережению. Но, в свою очередь, светорегуляторы на основе тиристоров имеют нелинейную вольтамперную характеристику регулирующего элемента - тиристора, что приводит к появлению в питающих освещение сетях высших гармоник тока. В основном это третья, пятая и седьмая гармоники. Относительные (в процентах к току первой гармоники) величины этих гармоник составляют 1,5-6 %, что превосходит требования ГОСТ 13109-97.

Оросительные установки. В распределительных сетях 6-10 кВ современных оросительных комплексов, основной нагрузкой которых являются крупные насосные станции, несинусоидальность напряжения появляется в основном из-за использования трансформаторов и преобразователей возбудителей синхронных машин. Наибольшими оказываются уровни нечетных гармоник напряжения в диапазоне частот 1001500 Гц, относительные значения гармоник высших порядков могут достигать 2-6 % основной. Максимальные значения возникают из-за возможного режима резонанса напряжений.

Искажения напряжений в сетях с установками дуговой сварки. Еще одним источником гармоник высших порядков служат установки дуговой сварки. Вызванные работой сварочных устройств искажения очень велики и меняются в очень широких пределах даже в течение одной рабочей смены. Образование спектра напряжений представляет собой случайный процесс. Искажения напряжений, вызванные работой сварочных выпрямителей, превосходят допустимые по ГОСТ 13109-97. Уровни гармоник, обусловленные сварочными установками, весьма нестабильны из-за неритмичного технологического процесса.

Полный перечень видов искажений напряжения, а также их причин, приведен в табл. 3 [5].

Таблица 3

Виды искажений напряжения и их причины

Вид искажения Характеристика Причина

1 2 3

Короткие импульсы напряжения с крутыми передним и задним фронтами Срабатывание предохранителей, грозовой разряд, включение и отключение нагрузок

Электромагнитные периодические искажения формы кривой напряжения, амплитуда от 100 мкВ до 100 В, частота от 10 кГц до 1ГГц Устройства регулирования скорости вращения электродвигателей, импульсные источники вторичного электропитания

Окончание табл. 3

1 2 3

1 ни- Падение уровня напряжения на время больше одного периода, не более 80% Короткие замыкания в сети, включение особо мощных нагрузок, переключения в цепи источников питания

-Щ в* Увеличение напряжения на время больше одного периода, не менее 10% Отключение мощных нагрузок, переключения в цепях источников питания

|ж|р1| Повторяющиеся изменения в уровне питающего напряжения Подключение большого количества электроприемников с переменными потребляемыми токами

Повторяющиеся провалы уровня напряжения малой длительности до одного периода Коммутация диодов или тиристоров в трехфазных выпрямителях или преобразователях

Искажения формы сетевого напряжения из-за наличия высших гармоник Работа систем с импульсно-фазовым управлением, работа нагрузок с прерываниями тока, кратными сетевой частоте

шт Отклонение частоты от номинального значения Плохая регулировка генерирующего оборудования

Ш Ш Отсутствие напряжения в одной или нескольких фазах в течение более полупериода Грозовые разряды, аварийный режим работы сети

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и искажения потребляемого тока используют преобразователи с увеличенным числом пульсаций. Такой способ широко используется на крупных предприятиях. Однако в случае одиночных нагрузок небольшой мощности он неприменим.

Более эффективным методом коррекции формы токов и напряжений является включение пассивных и активных фильтров гармоник. Простейшим пассивным фильтром является компенсирующий конденсатор, включаемый параллельно нагрузке. Однако необходимо учитывать, что использование конденсаторов ограничено тем, что емкость конденсатора Ск образует с индуктивностью питающей сети Ьс параллельный колебательный контур. Если резонансная частота контура близка или совпадает с частотой одной из гармоник тока, то ее амплитуда возрастает. При этом может произойти перегрузка компенсирующего конденсатора.

Ситуацию можно улучшить с помощью фильтров гармоник, образованных параллельным соединением нескольких секций. Каждая секция представляет колебательный контур, настроенный на частоту одной из гармоник (как правило, 5, 7, 11, 13). Установка таких фильтров вблизи нелинейной нагрузки обеспечивает замыкание на землю токов высших гармоник через соответствующий колебательный контур. Помимо подавления гармонических составляющих, пассивные фильтры обеспечивают коррекцию коэффициента мощности.

Недостаток пассивных фильтров заключается в возможности возникновения параллельного колебательного контура, образуемого фильтром и индуктивностью питающей сети. Другой недостаток - это когда через пассивный фильтр, устанавливаемый вблизи определенной нелинейной нагрузки, могут замыкаться токи гармоник других нелинейных потребителей, что может вызвать перегрузку отдельных элементов фильтра.

В последнее время значительный интерес проявляется к активным фильтрам гармоник [7]. Такой фильтр представляет коммутируемое устройство, выполняющее одновременно несколько функций: подавление высших гармоник, коррекцию коэффициента мощности, снижение фликкера. В качестве коммутируе-

мых элементов в активных фильтрах используются преимущественно мощные МОП-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Принцип действия активных фильтров гармоник основан на том, что они генерируют токи или напряжения гармоник в противофазе с ними и тем самым компенсируют искажения потребляемых токов. Значительный прогресс, достигнутый в последние годы в совершенствовании характеристик силовых полупроводниковых приборов, а также уменьшение их стоимости, сделали активные фильтры гармоник конкурентоспособными с их пассивными аналогами.

Литература

1. Аррилага Дж., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах: пер. с англ. - М.: Энерго-атомиздат, 1990.

2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в сетях электроснабжения промышленных предприятий. - 3-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1994.

3. IEEE recommended practice for monitoring electric power quality. IEEE Std. 1159 - 1995.

4. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

5. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях: пер. с англ. - М.: Додэка-XXI, 2008.

6. Stratford R. Analysis and control of harmonic current in systems with static power converters // IEEE trans. On industry applications. - 1981. - Vol. IA-17. - № 1. - P. 71-81.

7. AkagiH. Active harmonic filters. - Proceedings of the IEEE. - 2005. - Vol. 93. - № 12. - P. 2128-2140.

--------♦'-----------

УДК 621.365.46:635.13 И.В. Алтухов, ВД. Очиров

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАК ОСНОВА РАСЧЕТА ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА САХАРОСОДЕРЖАЩИХ КОРНЕПЛОДОВ В ПРОЦЕССАХ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ

Процессы термической обработки играют важную роль в сельскохозяйственной промышленности. Сушка, как один из важнейших этапов технологического процесса производства сельскохозяйственных продуктов растительного происхождения, за последние годы получила широкое распространение. Это обусловлено тем, что полученные продукты хорошо хранятся длительное время и удобны в транспортировке. В статье приведена методика расчета постоянной времени нагрева для плодов моркови, одной из важнейших характеристик при тепловой обработке сахаросодержащих корнеплодов.

Ключевые слова: тепловая обработка, скорость нагрева, постоянная времени нагрева, теплоемкость, плоды моркови.

I.V. Altukhov, V.D. Ochirov

THERMALPHYSIC CHARACTERISTICS AS THE BASIS OF CALCULATION OF THE HEATING TIME CONSTANT OF THE SACCHARIFEROUS ROOT CROPS IN THE THERMAL PROCESSING PROCESSES

Processes of thermal processing play an important role in the agricultural industry. Drying as one of the major stages of technological process of production of the phytogenous agricultural products took a wide hold lately. The reason is that the received products are well stored for a long time and are transportable. The calculation technique for the heating time constant for carrot bearing, one of the major characteristics at thermal processing of the saccha-riferous root crops is given in the article.

Key words: thermal processing, heating speed, heating time constant, thermal capacity, carrot bearing.

В сельскохозяйственной промышленности большую роль играют процессы термической обработки, в том числе сушка. Сушка, как один из важнейших этапов технологического процесса производства сельскохозяйственных продуктов растительного происхождения, за последние годы получила все более широкое распространение. Это обусловлено тем, что полученные продукты хорошо хранятся длительное время и удобны в транспортировке.