Улучшение качества электроэнергии в сетях промышленных предприятий посредством фильтров высших гармоник тока

ВТ СНИК ПРИ АЗОВ СЪКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНТЧНОГО УНТВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. №15

УДК 621.314.1: 621.382+629.12.03,83

1 2 3 4

Волков И.В. , Курильчук М.Н. , Пентегов И.В. , Рымар СВ.

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ПОСРЕДСТВОМ ФИЛЬТРОВ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА

Показаны и проанализированы принципиальные схемы фильтров высших гармоник тока, которые находят широкое применение при работе с частотно управляемыми приводами электродвигателей, выпрямителями и другим оборудованием промышленных предприятий. Фильтры зарекомендовали себя как надежное, экономичное и высокоэффективное средство борьбы с высшими гармониками тока.

В последнее время энергетики промышленных предприятий все чаще сталкиваются с проблемой выхода из строя, без видимой, казалось бы, на то причины, электрического и электронного оборудования. Так, происходит перегрев роторов и быстрый износ подшипников электродвигателей и генераторов, аварии электроприводов, взрывы электролититических конденсаторов в схемах управления, регулярный выход из строя микропроцессорной техники, включение защиты электрооборудования, подгорание нулевых проводов, ускоренное старение изоляции и коррозия элементов заземлений, частое перегорание электроосветительных приборов и т.п. явления.

Анализ показывает, что причиной этих негативных явлений во многих случаях являются высшие гармоники тока в сетях, возникающие из-за постоянного увеличения количества оборудования, используемого выпрямители, частотно управляемые электроприводы, инверторы, компьютеры, дуговые установки и другие выраженные нелинейные нагрузки.

Промышленные страны запада столкнулись с этой проблемой раньше и уже имеют ряд мер для ее решения. В США и Канаде, например, действует стандарт [1], обязывающий потребителей электроэнергии принимать меры к подавлению высших гармоник тока, аналогична ситуация и в Европе. Наш же Межгосударственный Стандарт 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» об этой проблеме даже не упоминает!

Несмотря на то, что задачи, связанные с разработкой устройств подавления высших гармоник тока, успешно решаются украинскими и зарубежными учеными и специалистами [2-13], практическое применение их в Украине, России и других странах СИГ ограничивается пока единичными случаями.

Методы снижения уровня гармоник тока могут быть разделены на «активные» и «пассивные». Реализация «активных» методов сопряжена с созданием дорогостоящего и сложного оборудования, не всегда надежного в эксплуатации. Поэтому в наших условиях первоочередное внимание должно уделяться применению «пассивных» методов. В отличие от известных «пассивных» фильтров, новое оборудование должно свести к минимуму или вовсе не генерировать неконтролируемую реактивную мощность, отрицательно влияющую на работу сетей, и обладать повышенной надежностью при работе в некачественных сетях.

Целью статьи является описание разработанных «пассивных» фильтров высших гармоник тока, с перечисленными выше свойствами, их анализ и рекомендации к практическому использованию па предприятиях.

1 Институт электродинамики НАНУ, д-р техн. наук, проф.

Институт электродинамики НАНУ, ведущий инж.

Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, д-р техн. наук, проф.

Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, канд. техн. наук, ст. научн. сотр.

Универсальный фильтр высших гармоник тока

В сетях промышленных предприятий основными источниками гармоник тока являются полупроводниковые преобразователи, среди которых необходимо выделить: преобразователи частоты мощностью от десятков до сотен киловатт, используемые главным образом в регулируемых асинхронных и синхронных приводах (вентиляционные, насосные и другие технологические установки); выпрямители общего назначения, в том числе тиристорные и зарядные; выпрямители регулируемых приводов постоянного тока мощностью от единиц до сотен киловатт; инверторы мощностью до 500 кВт (автономные и зависимые) для частотно регулируемых электроприводов, а также в комплексах бесперебойного электропитания и для питания электронной аппаратуры; компьютерные системы и комплексы мощностью от сотен ватт.

Названные преобразователи генерируют в сеть высшие гармоники тока (5-ю, 7-ю, 1 ï-ю, ...), что ведет к искажению кривой напряжения питающей сети, а из-за гармоник однофазных нагрузок повышается уровень тока нейтрали, что приводит к сбою в работе систем управления и к отказу компьютерных комплексов. Трехфазные выпрямители, инверторы и т.п., доводят суммарный коэффициент гармоник тока (Total Harmonic Current Distortion — THDi) до 80...90 %. Вместе с каноническими гармониками тока, однофазные выпрямители, системы автоматического управления, компьютерные системы, телекоммуникационная аппаратура и т.п. приводят к значениям THDt — 100... 140 %, особенно за счет генерации в сеть гармоник тока нулевой последовательности: 3-ей (до 80 %) и кратных ей.

Институтом электродинамики HAH Украины, разработана серия трехфазных устройств пассивной фильтрации - универсальных фильтров гармоник тока - «Линеаторов» (Universal Harmonie Filters — UHF or «Lineators») [11], имеющих низкий уровень генерации реактивной мощности. Фильтры находят широкое применение при работе с трехфазными частотно управляемыми приводами электродвигателей, выпрямителями и т.п.

Трехфазные фильтры в настоящее время серийно выпускаются фирмой «MIRUS» (Canada) для питания частотно регулируемых приводов мощностью от 5 до 2000 кВ-А.

Эти фильтры зарекомендовали себя как надежное, экономичное и высокоэффективное средство борьбы с высшими гармониками тока.

Типовая схема трехфазного фильтра представлена на рис. 1. Отличительной ее особенностью является размещение на каждом стержне сердечника дросселя трех обмоток (для каждой фазы): основной (сетевой) с индуктивностью LI, поперечной (в цепи конденсаторов) L3, и компенсационной (выходной) с индуктивностью L2. Таким образом, все девять обмоток оказываются магнитно-связанными, причем три выходных обмотки включены встречно по отношению к остальным шести. Возможны (и применяются) и другие комбинации магнитных связей, количества обмоток, немагнитных зазоров дросселей. Каждая модификация дросселей ориентирована на оптимизацию различных параметров фильтра.

Тот же принцип магнитного объединения обмоток используется при создании однофазных фильтров проходной мощности до 150 кВ-А. Один из вариантов такого фильтра приведен на рис. 2. Здесь каждая обмотка разделена на две одинаковые полуобмотки, которые располагаются на двух противоположных стержнях сердечника стержневого типа, а дополнительная компенсационная обмотка L4 и поперечная цепь с конденсатором С2 предназначены для повышения жесткости внешней характеристики.

UHF

Рис. 1 — Схема трехфазного фильтра

Вход

0.5 LI * * О Б L2 * 0.6 L*

Рис. 2 — Схема однофазного фильтра

Анализ фильтра

Эквивалентная расчетная схема простейшего однофазного фильтра рассматриваемого типа показана на рис. 3, где нелинейная нагрузка (включая выпрямитель и сглаживающий конденсатор) представлена параллельным соединением п источников тока нечетных гармоник со своими амплитудами и фазами, так что выполняется векторное суммирование:

а источник питания отсоединен и входные зажимы А, N закорочены. Такая линеаризация позволяет использовать принцип суперпозиции и найти гармонические составляющие входного

тока и падение напряжения на дросселе фильтра:

и

со ¿,С-1

где

р = -

Ф

/V

1и\

V,,

ЛУ£

\/и

и

1.3

—Уи—

12

//

О п Г*

Рис. 3 - Расчетная схема простейшего однофазного фильтра

V, <0у, к„, - соответственно номер гармоники, угловая частота питающего напряжения и коэффициент магнитной связи между обмотками дросселя, а индуктивности Ь\ »

Если необходимо, чтобы во входном токе отсутствовала любая к-я гармоника, следует приравнять числитель выражения (1) нулю, тогда нужное соотношение между параметрами фильтра выразится формулой

= 1,

где коэффициент X характеризует соотношение между основной и компенсационной обмоткой'дросселя, а =

Правильный выбор индуктивности компенсационной обмотки играет существенную роль в обеспечении качественной работы фильтра, поскольку создаваемый ею магнитный поток направлен встречно потоку сетевой обмотки, тем самым, способствуя уменьшению «сквозного» импеданса и уменьшению падения напряжения на дросселе. Без компенсационной обмотки (¿2= 0) это падение на частоте сети, как следует из выражения (3), таково:

При подключенной же компенсационной обмотке оно будет равно:

~а?СкЛ-1,

Д У\ =<0,1,1,

Результат деления уравнения (7) на (6) дает относительное значение уменьшения падения напряжения при введении компенсационной обмотки:

ЛК =:

ЛГ,

= 1 + *.г

17А_ +1

Щ

При высокой магнитной связи между обмотками (кт > 0,95) это уравнение упрощается и принимает вид:

Это означает, что, например, при Л. = 0,8 относительное увеличение падения напряжения на основной частоте составит всего 4 %. Конечно, высшие гармоники и импеданс поперечной обмотки дросселя внесут свои коррективы, и это надо учитывать при проектировании рассматриваемых фильтров.

БИБЛИОТЕКА

5 (»9421

Характеристики фильтра Очевидно, что нельзя одновременно удовлетворить все п - 1 уравнений (5) для полного набора значений V, поскольку имеется лишь 5 параметров для варьирования: Ль ¿з, С и кт. Поэтому можно полностью подавить либо ограниченный набор гармоник сетевого тока, либо минимизировать его коэффициент гармоник тока

THD, =

]

I

5Х

"¿1.1 V V»!

путем выбора целого, либо дробного значения коэффициента к в интервале между 3 и и.

В качестве иллюстрации на рис. 4 показан спектр гармоник питающего тока и его ТНЕ>1 для Линеатора иНР-1000-480-60, для привода с двигателем 1000 л.е.: вариант а с минимальным ТЬЮ] соответствует к = 6,78; вариант Ь с минимальной 5-ой гармоникой соответствует к = 4,42.

Эти и подобные расчеты выполнялись с помощью разработанной в ИЭД НАНУ специализированной программы «ОМЕГА», удобной для моделирования и оптимизации нелинейных электрических цепей с вентилями и взаимоиндуктивными связями между элементами электромагнитных устройств.

15 20

Harmonie #

796

'Uit МЫ

10

à)

Рис. 4 - Спектры гармоник тока

1HDi*0.117

15 20 Hwmonic*

25

зо

35

b)

Оптимизация параметров фильтра позволила создать серию фильтров UHF на проходную мощность до 2 MVA с THD| потребляемого тока не хуже 7 % даже в сетях с большим содержанием высших гармоник, достаточно жесткой внешней характеристикой и минимальным (не более 15 %) генерированием реактивной (емкостной) мощности в режиме холостого хода.

Созданы также методики электромагнитного и теплового расчета многообмоточных реакторов (в том числе с обмотками из фолы и) для различных модификаций фильтров.

Выводы

Причиной участившегося в последние годы выхода из строя на промышленных предприятиях электрооборудования, его нестабильной работы, старения изоляции, стали высшие гармоники тока в сетях, которые увеличивают потери и создают радиопомехи. Возникают они из-за постоянного увеличения количества оборудования, используемого выпрямители, частотно управляемые электроприводы, инверторы, компьютеры и т.п., а также технологические установками с электрической дугой.

Одной из эффективных мер подавления высших гармоник тока является применение «пассивных» фильтров. Показаны и проанализированы принципиальные схемы таких фильтров, которые находят широкое применение при работе с частотно управляемыми приводами, выпрямителями и т.п. оборудованием промышленных предприятий. Фильтры зарекомендовали себя на практике как надежное, экономичное и высокоэффективное средство борьбы с высшими гармониками тока.

Перечень ссылок

1. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems 11 IEEE Standard 519.- 1992.

2. Волков И.В. Новая концепция построения силовых цепей частотно-регулируемых асинхронных электроприводов / И. В. Волков II Техническая электродинамика.- 1999- № 4.- С. 21-26.

3. Жежеленко КВ. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко-М.: Энергоатомиздат, 1994.-266 с.

4. Пентегов И.В. Схемы подавления высших гармоник тока с расщеплением фаз на три составляющие и методы их расчета / И.В, Пентегов, И.В. Волков, М. Levin II Техшчна електродинамжа: Тем. випуск. Силова електрошка та енергоефектившсть. Ч. 1.- К.: 1ЕД НАНУ, 2002.-С. 71-78.

5. Пентегов И.В. Устройства подавления высших гармоник тока / И.В. Пентегов, И.В, Волков, М. Levin //Техшчна електродинамжа: Тем. випуск. Проблеми сучасно! електротехшки. Ч. 1.-К.: 1ЕД НАНУ, 2002.-С. 13-22.

6. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы / Ш.М. Размадзе.- М.: Высшая школа, 1967,- 527 с.

7. Шидловскш А.К. Повышение качества энергии в электрических сетях / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов- К.: Наукова думка, 1985.-268 с.

8. Barton Т.Н. Rectifiers. Cycloconverters and AC Controllers / Т.Н. Barton.- Oxford: Clarendon Press, 1994,- 670 p.

9. Blakey R.G. Power Electronics in Warships / S.G. Biakey II Power Engineering Journal.- 1993.-April.'- P. 65-70.

10. Paice D.A. Power Electronic Converter Harmonics. Multipulse methods for clean power / D.A. Paice.- NY: IEEE PRESS, 1995,- 202 p.

11. Patent US 6,127,743. Universal Harmonic Mitigating System / M. Levin (CA), I. Volkov (UA).-

10.03.2000.

12. Ykema J.I. Protective Devices in Navy Shipboard Electrical Power Systems/ J.I. Ykema II Naval Engineers Journal.- 1 9 8 8 -May-P. 12-17.

13. Пути улучшения качества электроэнергии в корабельных и береговых электрических сетях и электроустановках / М. Levin, И.В. Волков, И.В. Пентегов, СВ. Рымар, Б.Б. Ларченко II

36. наук, праць Нащонального ушверситету кораблебудування.- Микола1в: НУК, 2004.- № З.-С. 60-70.

Статья поступила 16.03.2005