Активный фильтр гармоник для табачной фабрики

Активный фильтр гармоник для табачной фабрики

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТРОЙСТВ, УЛУЧШАЮЩИХ КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Во всем мире имеется тенденция к увеличению содержания гармоник в сети распределительных и потребительских сетях. Это связано с увеличивающимся использованием нелинейных нагрузок и устройств на промышленных предприятиях и в административных зданиях.

Описание


Активный фильтр гармоник для табачной фабрики

Активный фильтр с дверцей.jpg
Нелинейные устройства (часто тиристорные или диодные выпрямители), вносят вклад в ухудшение качества электроэнергии в сетях и могут содержаться, например, в следующих устройствах:
  • В приводах частотно-регулируемых приводах (VSD)
  • Для обрабатывающей и перерабатывающей промышленности
  • Для индуктивного нагревания в металлургии
  • Для лифтов, а также насосов и вентиляторов в кондиционерах административных зданиях
  • В источниках бесперебойного питания (UPS) для компьютеров и других нагрузок в административных и промышленных зданиях
  • В компьютерах и другой оргтехнике
Современное промышленное оборудование как основной потребитель электроэнергии на предприятии предъявляет высокие требования к качеству электросети. От этого зависит непрерывность технологического процесса и срок службы установок.
Промышленные нагрузки имеют нелинейный и динамический характер - электроприводы переменного и постоянного тока, частотно-регулируемый привод, электродуговые печи, люминесцентные лампы, сварочные аппараты и т.п.
Возможные проблемы, которые могут быть вызваны значительным гармоническим напряжением в системе электроснабжения:
1. Дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т.п.;
2. Ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;
3. Наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;
4. Гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;
5. Повреждение чувствительного электронного оборудования;
6. Интерференция систем коммуникации.
Проблемы, испытываемые нагрузкой, возникают как из-за условий, которые складываются на их собственном участке ответственности промышленного предприятия так и привносятся из сети. Ограничивать количество гармонического тока, который создается оборудованием необходимо в первую очередь для снижения взаимного влияния помех от соседних нагрузок. Следовательно, именно на предприятии должно обеспечиваться наличие фильтрации гармонических составляющих там, где это необходимо. Для этого существует три доступных способа, каждый с определенными преимуществами и недостатками:
1. применение пассивных фильтров;
2. применение фильтрокомпенсирующих конденсаторных установок.
3. применение активных фильтров.
Использование традиционных решений по улучшению качества электроэнергии не всегда полностью решают проблему.
Так, например, очень часто при использовании традиционных автоматических компенсационных установок, реализованных на простых конденсаторных батареях, в сетях электроснабжения возникают перенапряжения и ложные срабатывания защитной аппаратуры, приводящие к выходу из строя самих компенсационных установок и аварийным отключениям энергосистем.
Фильтрокомпенсирующие и быстродействующие конденсаторные установки имеют либо жестко заданную частотную характеристику подавления гармоник либо их режим работы зависит от реактивной нагрузки. В условиях быстро изменяющейся нагрузки они не дают необходимый эффект в части снижения гармонического состава сети.
Современные активные фильтры гармоник PQFM спроектированы специально для применений в тяжелых промышленных сетях с высоким содержанием гармоник, быстро изменяющимися нагрузками, просадками напряжения и др.
Использование таких устройств, помимо очевидных преимуществ – снижение потерь в силовых трансформаторах и линиях передачи, обеспечение требуемого коэффициента мощности и увеличение полезной мощности генерирующих мощностей, снижает косвенные затраты, связанные с основными технологическими процессами.
Влияние гармоник

Трансформаторы.
Гармоники тока увеличивают потери в меди и потери, связанные с потоком рассеяния. В свою очередь гармоники напряжения увеличивают потери в стали. В итоге гармоники тока и напряжения приводят к повышению температуры трансформатора по сравнению с чисто синусоидальным током и напряжением. Должно быть отмечено, что дополнительные потери из-за гармоник повышаются пропорционально квадрату тока и частоты, приводя к уменьшению полезной нагрузки трансформатора. При выборе правильной номинальной мощности трансформатора питающего нелинейные нагрузки, необходимо учитывать адекватное снижение его нагрузочной способности, с тем, чтобы гарантировать, что повышение температуры трансформатора останется в допустимых пределах. Так же должно быть учтено, что все дополнительные потери из-за гармоник будут оплачены потребителем. Гармоники могут также привести к увеличению шума.


Провода.

Несинусоидальные токи в проводниках приводят к большему его направлению, чем ожидаемое из расчета его среднеквадратичного значения. Это дополнительное нагревание вызвано двумя явлениями известных как скин-эффект и эффект сближения, они оба зависят от частоты, формы проводника, а также расстояния между ними. Эти два эффекта приводят к увеличению активного сопротивления и в конечном счете к увеличению активных потерь.

Двигатели и генераторы.

Гармонические токи и напряжения приводят к повышенному нагреву асинхронных и синхронных машин, повышенным потерям в меди и стали на частотах гармоник. Эти дополнительные потери уменьшают производительность механизма и могут также отразиться на величине вращающего момента. Пульсация вращающего момента может повлиять на качество изделия в тех случаях, когда приводимые механизмы чувствительны к подобным колебаниям. В качестве примера можно привести прядильные машины и металлообрабатывающие станки.
Также в случае вращающихся машин, гармоники могут увеличить слышимый шум по сравнению с синусоидальным намагничиваем. Пары гармоник. подобно 5-ой и 7-ой, могут создавать механические колебания на 6-ой гармонической частоте в генератора или в системе электродвигательного привода. Механические колебания, вызванные пульсирующим вращательным моментом, возникают из-за взаимодействия гармонических токов и магнитного поля основной частоты. Если механическая резонансная частота механизма совпадает с частотой изменения вращающего момента, могут возникнуть значительные механические нагрузки, увеличивающие вероятность механических повреждений.

Электронное оборудование.

Силовое электронное оборудование чувствительно к гармоническому искажению питающего напряжения. Это оборудование часто синхронизирует свое действие с прохождением через нуль напряжения или к другим характерным точкам формы волны напряжения. Гармоническое искажение напряжения может привести к смещению прохождения напряжения через нуль или изменить точку, где одно напряжение фаза-фаза становится выше, чем другое напряжение фаза-фаза. В обоих случаях это очень важно для различного вида систем управления силовыми электронными устройствами. Неверное истолкование этих точек системами управления может привести к сбою системы управления. Помехи для оборудования также возможны из-за индуктивной или емкостной связи между линиями телекоммуникации и силовыми линиями.
Компьютеры и некоторый другой вид электронного оборудования, подобно программируемым контроллерам, требуют обычно, чтобы полное гармоническое искажение питающего напряжения было меньше чем 5%, и один индивидуальный гармонический компонент – меньше чем 3% от основного напряжения. Более высокие значения искажения могут привести к неправильной работе системы управления ( что в свою очередь может привести нарушить производственный процесс) и, в конечном итоге, к большим экономическим потерям.

Коммутационное оборудование и релейная защита.

Также как в другом типе оборудования, повышенное содержание в токе гармоник увеличивают дополнительные потери в коммутационном оборудовании, что, в свою очередь приводит к увеличенному нагреву и снижению полезной пропускной способности. Увеличенная температура некоторых изоляционных компонентов приводит к сокращению их срока службы.
Старые полупроводниковые расцепители низковольтных автоматов реагировали на максимальное значение тока. Этот тип расцепителей мог неправильно отключать нелинейные нагрузки. Новые расцепляющие механизмы реагируют на среднеквадратичные значения тока.
Поведение защитных реле при искажении тока и напряжения зависит от используемого принципа измерений. Поэтому невозможно составить общего правила их поведения для большого разнообразия реле при работе в сетях с повышенным содержанием гармоник. Однако можно сказать, что нормальные уровни гармонических искажений в сетях не создают проблем при работе реле.

Силовые конденсаторы для компенсации реактивной модности.

Конденсаторы отличаются от другого типа оборудования емкостным характером их сопротивления, который может резко изменить полное сопротивление сети, если возникнет резонанс. Реактивное сопротивление батареи конденсаторов уменьшается с увеличением частоты, и поэтому, конденсаторная батарея принимает на себя токи высших гармоник, возникших в системе. В результате увеличивается нагревание и диэлектрическое напряжение материала изоляции. Частое переключение нелинейных магнитных компонентов, например, трансформаторов, может генерировать токи гармоник, которые увеличат нагрузку конденсаторов. Следует отметить, что плавкие предохранители обычно не обеспечивают защиту конденсаторов от перегрузок. В результате увеличенного нагревания и воздействия напряжения сокращается срок службы конденсаторов.
Главной проблемой при использовании конденсаторов в силовых сетях является возможность резонанса схемы, что приводит к возникновению гармоник тока и напряжения, значительно превышающих те, которые имели бы место при отсутствии резонанса.

Гармоники и параллельный резонанс.

Гармонические токи, генерируемы, например двигателями переменной скорости, могут быть усилены в 10-15 раз в параллельном резонансном контуре, сформированном емкостью батареи конденсаторов и индуктивностью сети.
Усиленные гармонические токи через конденсаторы могут привести к внутреннему перегреву конденсаторной батареи. Учтите, что токи, имеющие частоты выше, чем основная вызывают большие потери, чем ток 50Гц, имеющий ту же самую амплитуду.

Гармоники и последовательный резонанс.

В случае если напряжение вышестоящей сети искажено, образуется схема последовательного резонанса, сформированная емкостью батареи конденсаторов и сопротивлением короткого замыкания питающего трансформатора. При этом резко увеличиваются токи высших гармоник через конденсаторы. Последовательный резонанс может привести к высоким уровням искажений напряжений на низкой стороне трансформатора.
Рекомендации.
Всякий раз, когда в системе имеется нелинейная нагрузка ( двигатели постоянного тока, инверторы, UPS, все виды выпрямителей, и т.д.) присоединенная к шинам, к которым присоединена батарея конденсаторов, необходимо применять особую осторожность при проектировании системы компенсации реактивной мощности.
Чтобы избежать параллельный или последовательный резонанс необходимо применять низковольтные фильтры или блокирующие батареи конденсаторов. В случаях, когда имеются ограничения по гармоникам, наложенные потребителем или энергосистемой, часто требуется установка фильтровых конденсаторных батарей или активных фильтров с тем чтобы удовлетворить требованиям, изложенным в стандарте ГОСТ 13109-97 (НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ).

Характеристики

Современные активные фильтры PQFM спроектированы специально для применений в тяжелых промышленных сетях с высоким содержанием гармоник, быстро изменяющимися нагрузками, просадками напряжения и др.
Использование таких устройств, помимо очевидных преимуществ – снижение потерь в силовых трансформаторах и линиях передачи, обеспечение требуемого коэффициента мощности и увеличение полезной мощности генерирующих мощностей, снижает косвенные затраты, связанные с основными технологическими процессами.