Меню

Компенсация реактивной мощности высших гармоник



Фильтры гармоник в установках компенсации реактивной мощности

Негативное влияние гармонических составляющих тока и напряжения на функциональность буквально всех элементов инфраструктуры распределительной сети уже давно не является откровением для специалистов отраслей электроэнергетики и электротехнического оборудования, а важность и актуальность, как энергетического аудита сетей на уровень гармонических возмущений, так и демпфирования генерации сетевыми устройствами/оборудованием гармонических искажений была регламентирована в:

  • новом ГОСТ 33073-2014 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», определившим в число ключевых параметров качества электроэнергии суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения, отклонение частоты, коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения, кратковременную/длительную дозы фликкера;
  • ГОСТ Р 51317.2.4-2000 (МЭК 61000-2-4-94) «Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Уровни электромагнитной совместимости для низкочастотных кондуктивных помех в системах электроснабжения промышленных предприятий», регламентирующим предельно допустимые уровни напряжений нечетных/четных гармонических составляющих, напряжений интергармоник, изменений частоты и искажений синусоидальности напряжения электропитания, ответственность за которые de facto несут генерируемые сетевыми устройствами/оборудованием гармонические возмущения.

Вместе с тем, даже сегодня беспрецедентными, но безусловными можно признать факты:

  • мероприятия по снижению засорения сети гармониками по току и напряжению в основном проводятся в промышленных сетях с вентильными преобразователями, сварочным оборудованием, асинхронными двигателями с регулировкой частоты вращения с помощью преобразователя частоты, электродуговыми печами и т.д., т.е. с источниками генерации значительных гармонических возмущений.

В то же время «за бортом» по факту остаются бытовые сети, сегодня изобилующие нелинейными нагрузками — кондиционерами, стиральными/посудомоечными машинами, источниками бесперебойного питания, компьютерами и пр., суммарно генерирующими в сеть впечатляющие гармонические искажения;

  • большая доля электротехнического оборудования и устройств для сетей низкого напряжения продолжает реализоваться без фильтров гармоник, причем даже установки компенсации реактивной мощности с тиристорными ключами, существенно превосходящие релейно-контакторные КРМ, УКМ и т.д. по степени засорения сети гармониками, предлагаются производителями к оборудованию фильтрами гармоник только опционально (под заказ).

Фильтры гармоник в установках компенсации реактивной мощности

Сверхпопулярный с момента формирования рыночных отношений в Новой России тренд интеграции маркетинговых технологий и инструментов в производство и реализацию промышленной продукции уже продемонстрировал свои негативы в электротехнической отрасли, в том числе в сегменте устройств компенсации реактивной мощности. Так, даже после формализации названий комплектных конденсаторных батарей для коррекции коэффициента мощности в ГОСТ IEC 61921-2013 «Конденсаторы силовые. Конденсаторные батареи для коррекции коэффициента мощности при низком напряжении» и ГОСТ Р 51321.1-2007 «Устройства комплектные низковольтные распределения и управления. Часть 1. Устройства, испытанные полностью или частично. Общие технические требования и методы испытаний» (в части силовых комплектных устройств) отечественные производители заполнили рынок de facto аналогичными по конструкции и параметрам комплектными конденсаторными батареями с «ассоциированными с ними коммутационными устройствами и оборудованием для контроля, измерения, сигнализации, защиты, регулировки..», реализуемыми под маркетинговыми аббревиатурами названий, часто далеких от технической корректности — компенсатор реактивной мощности (КРМ), динамические фильтрокомпенсирующие устройства или динамические фильтрокомпенсирующие конденсаторные установки (ДФКУ), автоматическое (или иногда «активное») фильтрокомпенсирующее устройство или автоматическая/активная фильтрокомпенсирующая конденсаторная установка (АФКУ) и т.д., хотя в действительности:

  • все это не что иное, как типовые комплектные конденсаторные батареи для коррекции коэффициента мощности с фильтрами гармоник, как правило, пассивными в виде расстроенных дросселей, блокирующих гармоники определенной частоты, реже активными на базе шунтирующего-управляемого выпрямителя с широтно-импульсной модуляцией и емкостной нагрузкой, генерирующими в сеть гармоники в противофазе гармоникам нагрузки;
  • название «фильтрокомпенсирующее» устройство/установка лишено логики и здравого смысла, поскольку узкополосные или широкополосные пассивные фильтры, (условно) отфильтровующие гармоники тока за счет большого сопротивления цепи на определенной частоте, предельно редко (и отнюдь не в типовых установках) совмещаются с активными фильтрами, компенсирующими гармоники нагрузки генерируемыми в противофазе собственными гармониками;
  • в той или иной мере «динамическое» демпфирование гармонических искажений возможно только при использовании современных активных фильтров, как правило дорогих и редко интегрируемых в комплектные установки компенсации реактивной мощности.

В целом обязательность интеграции в установки компенсации реактивной мощности фильтров гармоник, хотя бы в виде расстроенных дросселей (узкополосных фильтров) регламентирует ГОСТ IEC 61921-2013 в пунктах 5.4.1.1 и 5.4.2.1, причем если пассивные фильтры гармоник достаточны для релейно-контакторных КРМ, УКРМ, УКМ, АКУ и т.д., то необходимыми и достаточными для многоступенчатых батарей компенсации реактивной мощности с тиристорными ключами следует признать активные фильтры гармоник.

Источник

О пивной пене – или мифы о компенсации реактивной мощности

Всем привет! Мои постоянные читатели, вероятно помнят мою статью про реактивную мощность. Там я подробно изложил теорию, откуда она появляется, и как её компенсируют. Рассмотрел и случай на реальном предприятии.

Сегодня открою небольшую тайну. Предприятие, о котором я писал в той статье – это пивзавод! Поэтому давайте попробуем рассмотреть проблему реактивной мощности с этой, освежающей стороны)

Как выглядит реактивная мощность?

Итак, давайте обсудим популярную тему в сфере сбережения электроэнергии – компенсацию реактивной мощности. Пожалуй, лучшей иллюстрации того, что такое реактивная мощность и не придумаешь:

Иллюстрация о реактивной мощности

Иллюстрация о реактивной мощности – сравнение с пивом

Бокал – это выделенная или полная мощность, пиво – активная, а пена – реактивная мощность.

Она заполняет бокал, но пользы от неё нет. Лучше, если весь бокал будет заполнен пивом, не так ли?

Наглядно процесс образования реактивной мощности, которая возникает при питании электродвигателя, изображен на картинке. Кстати, именно электродвигатели – главные “виновники” появления реактивной составляющей мощности в питающих сетях.

Как выглядит полная

Как выглядит полная мощность при питании электродвигателя

Как решается вопрос снижения «пены»? При помощи устройств для компенсации реактивной мощности: на основе конденсаторов (классическое устройство компенсации реактивной мощности, УКРМ) или специализированных инверторов (Статком или SVG). УКРМ становятся локальным «источником» компенсационной реактивной мощности, и, тем самым, высвобождают выделенную мощность, поступающую из внешней электросети.

Компенсация реактивной мощности на конденсаторной установке

В принципе это всё, что нужно знать о компенсации реактивной мощности, если не погружаться в специфику. Но тут возникают вопросы, связанные с экономическим аспектом внедрения УКРМ, а также особенности совместной работы с другим оборудованием.

Разбор экономических аспектов компенсации реактивной мощности

Экономия на оплате электроэнергии

Во-первых, большинство потребителей – частных, коммерческих и промышленных – не платят за потреблённую реактивную мощность, а платят только за активную, т.е. не за пиво с пеной, а только за пиво. Поэтому снижение реактивной мощности (кВАр) не позволит напрямую снизить плату за активную энергию (кВт).

Во-вторых, промышленные потребители при подключении к электросетям единовременно платят за выделение мощностей – за строительство подстанции и за подведение кабельных сетей. Поэтому если вам нужно много пива, а покупать новый стакан дорого, имеет смысл снизить уровень пены: это мера временная, но действенная.

В-третьих, промышленные потребители платят не только за поставленную мощность, но и за выделенную, т.е. полную мощность, которая измеряется в кВА и состоит из активной и реактивной. Тут тоже актуально снизить полную мощность, скомпенсировав реактивную.

Снижение потерь электроэнергии

Проходя через систему электроснабжения, часть мощности теряется в виде нагрева проводов, трансформаторов и оборудования. Эти потери омические, то есть расходуется активная мощность (кВт). Но следует учесть, что доля потерь во внутренней сети электроснабжения по причине нескомпенсированной реактивной мощности вряд ли достигает единиц процентов. Ими можно пренебречь на фоне изменчивого напряжения в сети питания, провалов напряжения, гармонических искажений, взаимного влияния нелинейной или резко переменной нагрузки и других проблем электросети, которые вызывают нерациональное использование электроэнергии.

Читайте также:  Усилитель мощности лампа гк71

Как возместить реактивную мощность – пример с бокалом

Разбор технических аспектов решения

Снижение загруженности электросети

Во-первых, в результате снижения реактивной мощности и уменьшения перетоков энергии между сетью и конечным оборудованием мы получим уменьшение падения напряжения во внутренней электросети. Это важно если на предприятии есть протяжённые кабельные трассы. Как следствие, снизятся суточные колебания напряжения при минимальном и пиковом потреблении.

Однако нужно учесть, что превышение номинала напряжения вызовет проблемы в оборудовании, такие, как ускоренное старение осветительных приборов, а также повышение энергопотребления, но этот вопрос можно решить регулировкой прямо на подстанции.

В целом снижение диапазона колебаний напряжения в течение суток положительно скажется на работе оборудования с точки зрения энергопотребления и ресурса.

Влияние гармоник на работу УКРМ

Во-вторых, подключив классическую установку компенсации реактивной мощности можно столкнуться с проблемой гармоник. Современное силовое и бытовое оборудование в целях повышения энергоэффективности использует импульсные блоки питания. В качестве контрпримера можно привести лампы накаливания и обычные электрические обогреватели, которые, напротив, нельзя назвать энергоэффективными. Импульсные блоки питания потребляют ток из сети не линейно, а импульсно, и, при этом, генерируют помехи обратно в сеть. Форма сигнала отличается от гармонической синусоиды с частотой 50Гц и содержит компоненты с частотой кратной 50 Гц: 150 Гц, 250 Гц, 350 Гц и выше.

Для рабочего элемента классической УКРМ – конденсатора – это проблема, так как с ростом частоты снижается полное сопротивление и повышается его электрическая мощность. Ток на частоте, выше чем 50 Гц преодолевает меньшее сопротивление и быстрее нагревает конденсатор. В свою очередь это увеличивает уровень высоких гармоник, повышает напряжение в сети, повышает энергопотребление и потери, снижает эффективность работы всей системы электроснабжения. Тут уже стоит говорить не столько об энергоэффективности, а о надежности и безопасности работы электроустановок.

Для устранения этой проблемы современные компенсаторные установки (УКРМ) содержат фильтр низкой частоты, подавляющий гармоники.

СамЭлектрик.ру в социальных сетях

Подписывайтесь! Там тоже интересно!

Выводы по мифам

Компенсация реактивной мощности как способ экономии оплаты за электроэнергию – вот главный миф, который правдив лишь в некоторых ситуациях. Грубо говоря, если потребители не платят за реактивную мощность, то и экономический эффект от внедрения установки находится на уровне погрешности измерения. В дополнение к этому нужно обратить внимание, где внедряется установка компенсации реактивной мощности, насколько “загрязнена” электрическая сеть. И получается, что при неправильном внедрении вместо экономии возникают дополнительные проблемы.

Поделитесь в комментариях, как решают вопрос компенсации реактивной мощности на вашем предприятии?

ЗевсЭлектро: Электричество измеримо

Статья предоставлена спонсором – лабораторией качества электроэнергии ZEUSELECTRO www.zeuselectro.com

Лаборатория занимается сложными случаями, там, где некачественная электроэнергия является проблемой. Гармоники, провалы напряжения, пробои изоляции, импульсные помехи и много другое, что доставляет головную боль энергетикам.

Они консультируют, измеряют, внедряют и снова измеряют. Это гарантирует результат.

  • Фиксация параметров качества электроэнергии с частотой от 24кГц в режиме реального времени
  • Контроль дифференциальных токов от 5мА и токов протекающие по контурам заземления.
  • Программное обеспечение для анализа результатов длительных наблюдений и составления прогнозов надежности электроснабжения.

Специально для тех, кто обратится и сообщит кодовое слово «САМЭЛЕКТРИК» получит дополнительную скидку 5% на услуги и приборы и бесплатный бумажный каталог решений для качества электроэнергии изданный совместно с немецкой компанией Janitza на 400 страницах.

Таблица перевода сечения провода из AWG в мм2

На вкус и цвет – все изоленты (не)одинаковые!

Преобразователь частоты – пример применения в станке

Я че-то не увидел мифа по поводу компенсации электроэнергии. Просто указаны дополнительные источники помех в сети, помимо реактивной, не вижу здесь ни какого мифа. Просто физика. Само собой есть пробел не знания многих потребителей об этом, то это да. Но ничего общего с мифами тут нет. Я уже подумал что сама компенсация реактивной мощности на заводе это миф. Не удачное название стати.

Спасибо за комментарий. Компенсация реактивной мощности как способ экономии оплаты за электроэнергию – вот главный миф, который правдив лишь в некоторых ситуациях. Грубо говоря, если потребители не платят за реактивную мощность, то и экономический эффект от внедрения установки находится на уровне погрешности измерения. В дополнение к этому нужно обратить внимание, где внедряется установка компенсации реактивной мощности, насколько “загрязнена” электрическая сеть. И получается, что при неправильном внедрении вместо экономии возникают дополнительные проблемы. Статья об этом.

Тоже хочу работать электриком на пивзаводе!
еееееееслиб было море пива.

Хочу сказать своё мнение об содержании этой статьи, второй по счёту этого автора, первая называлась- “6 проблем с проводкой и заземлением, которые приводят к низкому качеству электроэнергии”
https://samelectric.ru/powersupply/6-problem-s-provodkoj-i-zazemleniem.html
пока сложилось впечатление, что автор профессионал и хорошо разбирается в вопросе, но не может, или не хочет объяснить доступным языком суть проблем, с которыми умеет справляться лаборатория качества электроэнергии ZEUSELECTRO. Возникает противоречие, с одной стороны – статья написана для специалиста, который сталкивался с этими проблемами и поймёт о чём речь, с другой стороны статья-это рекламный продукт с красивыми картинками – для основной массы подписчиков samelectric, которые в этой статье ничего интересного для себя не найдут. Мне кажется, что подобные статьи, основной массе подписчиков samelectric, читать должно быть интересно, то есть читателю хочется узнать что то. Так подобные интересные статьи будут распространяться самими читателями, и реклама лаборатории качества электроэнергии ZEUSELECTRO будет эффективнее.
Ждём третью статью, где картинки будут не просто красивые, нужно пару схем, применение закона Ома, графики или осциллограммы, хочется узнать всё таки, что компенсация реактивной мощности для индуктивной нагрузки и для импульсных блоков питания – это не одно и тоже, что нужен разный подход. Что компенсацию нужно делать в непосредственной близости от потребителя с фактором мощности ниже единицы. Тут пригодится закон Ома для мощности потерь в проводах P=I²R. Зная мощность потребителя считаем по формуле I=√P/R, после чего ток нужно умножить на коэффициент PF, подставив значение тока в первую формулу, рассчитать мощность потерь в проводах.
В случае модернизации освещения например, перехода на светодиодные светильники, не нужно гнаться за более дешёвым вариантом, что нужно обращать внимание на PF, можно привести пару реальных примеров, ещё можно подсмотреть что делают в странах ЕС, это будет наглядно и интересно, в чём же тут проблема, не очевидная на первый взгляд, будет интересно почитать для общего развития

Спасибо за комментарий, учтем. Мы только начали, и ваш отклик хороший ориентир, куда двигаться дальше. Да статья рекламная только в последнем абзаце. Дальше будет интереснее. У нас много материала, и мы думаем как его изложить и полезно и интересно.

Отправляя комментарий, Вы соглашаетесь с Правилами комментирования и разрешаете сбор и обработку персональных данных. Политика конфиденциальности.

На вкус и цвет – все изоленты (не)одинаковые!

Свежие статьи на СамЭлектрик.ру: 01.03.2021

На вкус и цвет – все изоленты (не)одинаковые!

Сегодняшняя статья – что-то между обзором, исследованием и лабораторной работой. Я решил прояснить вопросы.

Деревенская электрика. Советы читателю

Далее 22.02.2021

Деревенская электрика. Советы читателю

На блоге СамЭлектрик.ру много раз рассматривалась тема выбора элементов и построения схем электрощитов. Вот.

Читайте также:  Мощность стартера 12 вольт

Энкодер: устройство и примеры работы

Далее 28.01.2021

Энкодер: устройство и примеры работы

Нередко статьи у меня на блоге тесно связаны с промышленным оборудованием. На этот раз я подробно рассматриваю.

Силовой автомат в литом корпусе: параметры и подключение

Далее 18.01.2021

Силовой автомат в литом корпусе: параметры и подключение

В предыдущей статье про последствия короткого замыкания я пообещал продолжить тему и рассказать про установку.

Источник

Активный фильтр гармоник как средство повышения качества электрической энергии

Внешний вид активного фильтра гармоник АФГ-25-400-4

Авторы: К.В. Замула, Ю.В. Соколов, А.В. Карманов, ООО «Энергия-Т»

На сегодняшний день большинство энергоснабжающих организаций не обладают необходимым оборудованием, обеспечивающим в автоматическом режиме требуемого уровня содержания высших гармоник в сетях. Это порождает острую проблему негативного взаимовлияния технических средств между собой.

Ключевые слова: активный фильтр гармоник, симметрирование нагрузок фаз, компенсация высших гармоник, компенсация реактивной мощности, быстрое преобразование Фурье, SMART GRID.

Введение

Современные комплексы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) работают в сложной электромагнитной обстановке, обусловленной, в том числе, необеспеченностью отдельных показателей качества электроэнергии. Это вызвано ростом удельных характеристик устройств, имеющих низкий коэффициент мощности и работающих по резкопеременным графикам нагрузки. Особо осложняет электромагнитную обстановку работа электроприемников, генерирующих высшие гармонические составляющие (ВГС), с уровнем электромагнитной совместимости, выходящим за рамки диапазонов, определенных ГОСТ 32144-2013 [1]

Перечисленное приводит к неконтролируемым изменениям величины и формы напряжения в точках присоединения потребителей. Ухудшение качества электроэнергии напрямую влияет на снижение срока службы РЭА, является наиболее вероятной причиной ее отказов и выхода из строя, приводит к увеличению потерь энергии во всех элементах системы электроснабжения и, соответственно, влечет к увеличению расхода топливных ресурсов.

Негативные факторы возникающие при эксплуатации современного электрооборудования

Внешний вид активного фильтра гармоник АФГ-25-400-4

Основными негативными факторами при эксплуатации современного электрооборудования являются:

  1. Гармонические составляющие напряжения, как правило, обусловлены нелинейными нагрузками пользователей электрических сетей, подключаемыми к электрическим сетям различного напряжения. Гармонические токи, протекающие в электрических сетях, создают падения напряжений на полных сопротивлениях электрических сетей. Гармонические токи, полные сопротивления электрических сетей и, следовательно, напряжения гармонических составляющих в точках передачи электрической энергии изменяются во времени.
    Дополнительные потери — одно из самых отрицательных явлений, вызываемое гармониками во вращающихся машинах.
    Наибольший ущерб от высших гармоник составляет увеличение активных потерь и сокращение срока службы изоляции электродвигателей и силовых трансформаторов. [10]
  2. Реактивная мощность. Влияние реактивной мощности на режимы энергосбережения состоит в том, что ее наличие в элементах сети увеличивает значение полного тока и, соответственно, влияет на активные потери электроэнергии в данном элементе сети. [9]
  3. Несимметрия. В электроустановках потребителей находят все большее применение однофазные приемники (крупные электропечи, электронные аппараты, осветительные приборы), что вызывает несимметричный режим питания. Несимметрия токов обусловливает несимметрию напряжения, которая в свою очередь приводит к возникновению дополнительных фазных и междуфазных напряжений. Несимметрия влечет за собой появление очагов местных перегревов роторов синхронных генераторов, нежелательные вибрации их отдельных узлов, в линиях электропередачи и трансформаторах несимметрия снижает пропускную способность трехфазной системы, отрицательно влияет на работу асинхронных двигателей, ухудшает режим работы выпрямителей, делает менее эффективным использование регулирующих и компенсирующих установок. При этом создаются дополнительные потери активной энергии в сетях. [8]

Современное универсальное средство повышения качества электроэнергии

Для компенсации высших гармоник, вызванных действием нагрузки, традиционно применялись и применяются резонансные фильтры. Для энергетических установок это, как правило, последовательные индуктивно-емкостные резонансные цепи, настроенные на соответствующие номера гармоник. Обычно резонансные L-C фильтры настраиваются на гармоники с номерами n = 5, 7, 11, 13.

Такие фильтры выпускаются, как правило, на значительные токи и напряжения, их типоряд существенно дискретный. Для выбора таких фильтров требуется информация о предполагаемом спектре компенсируемых гармоник, величинах токов по каждой гармонике.

Использование резонансных фильтров для компенсации широкого спектра высших гармонических составляющих приводит к неоправданному удорожанию и повышению материалоёмкости всей установки. При этом, номинальные характеристики фильтра могут либо не быть востребованы вовсе, либо реальная нагрузка будет генерировать спектр гармоник, на который не рассчитывался фильтр, и они не будут в должной мере скомпенсированы, так как пассивные фильтры не в состоянии изменять регулируемые ими параметры в режиме «on-line» в резко меняющейся электромагнитной обстановке. [6]

Авторами разработаны активные фильтры гармоник (АФГ), способные обеспечить заданный коэффициент мощности электроустановок и существенно улучшить качество электроэнергии на входе энергетических комплексов мощностью до 10 МВт в режиме «on-line». Таким образом, АФГ может являться элементом SMART GRID.

АФГ является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники (управляемые выпрямители, преобразователи частоты, привода электродвигателей, импульсные источники питания). АФГ компенсирует высшие гармонические составляющие (ВГС) тока нагрузки, генерируя равные им по амплитуде, но противоположные по фазе токи, снижая, таким образом, коэффициент несинусоидальности тока и напряжения сети.

В соответствии с назначением АФГ выполняет следующие функции:

  • Компенсация ВГС до 50-й гармоники включительно;
  • Выбор степени компенсации от 0 до 100% для отдельных гармоник (от 2-ой до 50-й);
  • Контроль перегрузки АФГ по току с последующим автоматическим ограничением мощности;
  • Обеспечение перехода в режим холостого хода при малых токах нагрузки.
  • Компенсация реактивной мощности (полной или до определенного значения коэффициента мощности);
  • Потребление или генерация реактивной мощности индуктивного или емкостного характера определенной величины;
  • Компенсации реактивной мощности при одновременной компенсации нелинейных искажений;
  • Симметрирование токов нагрузки в пределах мощности АФГ;
  • Передача информации о параметрах энергии на входе АФ и параметрах функционирования АФ в автоматизированную систему управления.

АФГ имеют возможность параллельной работы с целью увеличения суммарной компенсируемой мощности.

Номинальное напряжение сети

Номинальный компенсируемый фазный ток, А

Частота сетевого напряжения

Компенсируемые гармоники тока

Индивидуально, до 50-й включительно

Компенсация реактивной мощности по коэффициенту мощности

До 1,0 включительно

Уровень шума, дБ не более

Рассеиваемая мощность, Вт не более

Устройство активного фильтра гармоник

АФГ выполнен по схеме трехфазного мостового инвертора с емкостным накопителем энергии (ЕНЭ) на стороне постоянного тока со средней точкой, и Т-образным LCL — фильтром со стороны питания переменного тока. Схема показана на рисунке 2.

Мостовой инвертор выполнен на основе модулей IGBT – транзисторов с обратными диодами, рассчитанными на полный ток транзистора. IGBT-транзисторы работают одновременно в режиме инвертора и в режиме активного выпрямителя для обеспечения работы звена постоянного тока.

Емкостной накопитель энергии выполнен на основе низкоиндуктивных электролитических конденсаторов, имеет среднюю точку, которая подключается к нейтрали сети при четырехпроводном подключении активного фильтра к нелинейной нагрузке.

Схема АФГ

В силовой схеме АФГ предусмотрены:

  • датчики тока для контроля фазных токов активного фильтра и нагрузки,
  • коммутационная аппаратура,
  • элементы принудительного воздушного охлаждения транзисторных модулей.

Функциональная схема АФГ показана на рисунке 3, где:

  • выходной фильтр – обеспечивает сглаживание выходной формы тока;
  • ЭМС фильтр (фильтр электромагнитных помех) – обеспечивает снижение помех от АФГ на сеть и обратно от сети на АФГ;
  • блок питания – служит для питания модулей и блоков самого АФГ
  • выпрямитель (активный) – обеспечивает поддержание напряжения конденсаторов звена постоянного тока;
  • выпрямитель предварительного заряда – для предварительного заряда звена постоянного тока;
  • инвертор – обеспечивает формирование кривой выходного тока;
  • модуль охлаждения – служит для охлаждения силовой части АФГ;
  • модуль управления – для управления инвертором и защитой фильтра;
  • блок управления силовым модулем – для управления и защиты силовых ключей от модуля управления;
  • входные коммутационно-защитные аппараты служат для защиты блоков и модулей АФГ, а также для автоматизированного ввода в работу АФГ;
  • устройство управления и индикации – человеко-машинный интерфейс АФГ, обеспечивает связь с интеллектуальной системой управления более высокого уровня.
Читайте также:  Как рассчитать мощность вытяжки для туалета

Принципы построения инверторов делятся на несколько основных типов:

  • инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения;
  • инверторы напряжения со ступенчатой формой кривой выходного напряжения;
  • инверторы с произвольной формой выходного напряжения.

Для построения схемы АФГ подходят только инвертора с произвольной формой выходного напряжения, так как только они могут формировать необходимые параметры выходного тока.

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи различных схем получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к необходимому, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора. Принцип так называемой «многократной широтно-импульсной модуляции» заключается в том, что на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора соответствующая пара транзисторов мостового инвертора многократно коммутируется на высокой частоте при широтно-импульсном управлении. Причем длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по закону необходимому для компенсации гармоник. Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется необходимая составляющая выходного тока инвертора.

Активный выпрямитель (АВ), выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока UD на конденсаторе. Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный автономный инвертор напряжения, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, АВ инвертирует постоянное напряжение конденсатора UD в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока. Эти зажимы связаны с питающей сетью через ШИМ дроссели. В отличие от регулируемой рабочей частоты напряжения на зажимах переменного тока инвертора, рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВ постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВ воспринимаются ШИМ дросселями, являющимися неотъемлемыми элементами системы, индуктивность обеспечивает повышающий режим работы преобразователя. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое АВ на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором присутствует преимущественно основная (полезная) гармоника, а высшие гармоники (на частоте коммутации ключей) подавляются выходным фильтром. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока, для заряда накопительного конденсатора.

Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к дросселям со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) дросселя. Изменяя с помощью системы управления АВ параметры основной гармоники его переменного напряжения на сетевых зажимах, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу АФГ с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо емкостным, либо индуктивным коэффициентом мощности. Поэтому АФГ с активным выпрямителем в принципе может быть использован в системе электроснабжения либо как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности.

Алгоритмы управления активным фильтром гармоник

Основным алгоритмом анализа гармоник и выделения сигнала ошибки для управления фильтром является разложение общего сигнала на высшие гармонические составляющие c использованием быстрого преобразования Фурье и выделение из общего сигнала сигналов основной частоты и высших гармоник.

Анализ входящих аналоговых сигналов

Получение дискретизации сигнала осуществляется встроенным в микроконтроллер АЦП. Чтобы взять дискретизацию за 1 период сигнала с частотой 50Гц, через равные промежутки времени АЦП со всех каналов синхронно снимает выборки (условно, т.к. время взятие одной выборки пренебрежимо мало по отношению к интервалу между точками дискретизации). В качестве триггера АЦП выступает аппаратный таймер контроллера.

Расчет спектра сигнала

Спектр сигнала получается выполнением прямого Дискретного Преобразование Фурье (ДПФ). Для вычисления спектра на микроконтроллере в реальном времени, используется Быстрое Преобразование Фурье БПФ.

Алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ) позволяет вычислять спектр сигнала за существенно меньшее количество операций. Сложность БПФ , против у ДПФ.

Когда в дискретизации нет целого числа периодов синусоидального сигнала, разрывы, которые образуются в конечных точках выборки, приводят к расширению спектра анализируемого сигнала вследствие появления дополнительных гармоник.

В случаях когда полученная дискретизация содержит не целое количество периодов, краевые точки не будут совпадать. В этом случае спектр полученный применением БПФ, не будет верным, т. к. из-за изменения временного интервала основные гармоники перераспределяются по высшим частотам. Это влечет за собой расчет гармоник, которых на самом деле не содержится в сигнале и которые могут значительно превышать частоту Найквиста.

Из теоремы Котельникова следует, что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации. В противном случае при восстановлении аналогового сигнала будет иметь место наложение спектральных «хвостов» (подмена частот, маскировка частот, алиасинг).

Это выглядит будто амплитуда с одних гармоник растекается по другим. Для минимизации эффекта растекания спектра применяется техника оконного преобразования.

Так как в случае изменения частоты сети период сигнала так же незначительно изменяется необходимо изменение размерности дискретизации, для этого применяется интерполяция сигнала. Для уточнения расчета спектра сигнала, снятую с АЦП дискретизацию необходимо интерполировать по количеству точек и по времени для передачи в расчет ДПФ, так как расчет ДПФ выполняется только на дискретизациях размерности кратной 2.

Так же с помощью интерполяции можно эффективно решать проблему растекания спектра, при условии, что временной интервал дискретизации близок к измеряемому периоду.

Блок управления выполняет следующие операции:

  • производит быстрое преобразование Фурье (FFT).
  • производит умножение полученных гармоник на задаваемый коэффициент подавления, полученный результат инвертируется;
  • над нормализованными и инвертированными данными производится обратное преобразование Фурье для получения требуемого тока компенсации АФГ;
  • требуемый ток АФГ интерполируется под частоту ШИМ;
  • интерполируемый под частоту ШИМ требуемый ток преобразуется в задание ШИМ и заносится в генератор ШИМ для формирования сигнала управления силовым модулем. В общем виде задание ШИМ представляется по формуле 1:
    , (1)
    где С — коэффициент зависящий от напряжения сети и напряжения на накопителе;
    y(t) — результат обратного БПФ;
    — управление активным выпрямителем;
    — управление генерацией/потреблением реактивной мощности;
    power — коэффициент обратной связи АФГ.

Осциллограмма включения АФГ в работу:

Осциллограмма включения АФГ в работу

Опыт эксплуатации АФГ в действующих электроустановках

Показания измерителя ПКЭ

Лабораторные испытания АФГ-25 и АФГ-100 при мощности нелинейной нагрузки соизмеримой с установленной мощностью фильтра подтвердили возможность устойчивой работы разработанных изделий в электроустановках с изменяемой по величине нелинейной нагрузкой типа: неуправляемый выпрямитель различной пульсности. Удалось достичь существенного улучшения синусоидальности потребляемого тока и кривой напряжения в точке присоединения АФГ (см. рисунок 4).

После включения АФГ в работу (появление сигнала тока компенсации) форма кривой тока со стороны источника электроэнергии стала практически синусоидальной при неизменной существенно несинусоидальной кривой тока нагрузки.

Некоторые результаты проведенных испытаний на функционирование АФГ приведены ниже. Показания приборов ПКЭ во время испытаний до и после включения АФГ в работу приведены в таблице, на рисунке 5 а, б. В результатах приведены доминирующие гармоники.

Источник