3. Показатели качества электроэнергии в установившихся и переходных режимах

Качество электроэнергии определяется совокупностью показателей, определяющих меру отклонений амплитуд, частоты и взаимной ориентации фаз, мгновенных значений напряжений от их номинальных значений, а также искажение синусоидальности их формы.

В СЭЭС переменного тока потребители электроэнергии должны работать при значениях напряжения и частоты, близких к номинальным. Для трехфазных потребителей идеальному питанию соответствует следующий вид мгновенных значений фазных напряжений (u_a, u_b, u_c):

u_a = U_{a max} sin (2  f t + _a) 

u_b = U_{b max} sin (2  f t + _b)  (3.1)

u_c = U_{c max} sin (2  f t + _c) ,

где U_{a max} = U_{b max} = U_{c max} = - амплитуды фазных напряжений и их номинальное действующее значение; f = f_ном; _a - _b = _b - _c = _a - _c = 2  / 3.

Изменения нагрузки и условий работы, несовершенство характеристик генераторных агрегатов и ряд других причин приводят к искажению напряжения. Для нормального функционирования элементов СЭЭС необходимо определить вид возникающих по отношению к (3.1) отклонений напряжений и приемлемые для большинства электрооборудования их численные значения. При этом источники электроэнергии должны обеспечивать выполнение этих ограничений во всех заданных режимах работы СЭЭС, а потребители должны быть адаптированы к работе в таких условиях.

Показатели качества электроэнергии СЭЭС нормируются Правилами Морского Регистра РФ отдельно для установившихся и переходных режимов.

3.1. Показатели качества электроэнергии для установившихся режимов работы

1. У становившееся отклонение напряжения (U_у):

По Правилам Регистра U_у основных судовых генераторов переменного тока не должны превышать  2,5 % при изменениях нагрузки с номинальным коэффициентом мощности от холостого хода до номинальной. Для аварийных агрегатов при тех же условиях допускаются отклонения до  3,5 %. Отклонения напряжения в пределах до  3,5 % допускаются и для основных генераторов, если им приходится работать с коэффициентом мощности 0,6.

2. У становившееся отклонение частоты (f_у):

Значение f_у согласно нормам не должно превышать  5 % при изменении нагрузки генераторного агрегата от 25 до 100 % номинальной.

Самостоятельная работа

Задание № 3,тема №3

Пульсирующие и вращающиеся поля.

Задание №4, тема №3

Реакция якоря в машинах постоянного тока и синхронных генераторах.

Литература: Д2, стр.450-455

Лекция №3

3. Коэффициент несимметрии (к_нес) трехфазного напряжения:

где (U)_max и (U)_min – наибольшее и наименьшее действующие значения линейных или фазных напряжений данного режима работы СЭЭС.

Несимметрия напряжений, в общем случае, - неравенство как напряжений (небаланс) фаз, так и углов сдвига фаз. Расчет несимметричных режимов осуществляется методом симметричных составляющих. Суть его заключается в представлении любой несимметричной системы из трех векторов в виде суммы трех систем: прямой, обратной и нулевой последовательностей фаз (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Разложение несимметричной системы векторов на симметричные составляющие

Определение этих составляющих осуществляется с помощью следующих преобразований:

г де: – векторы фаз исходной системы; – векторы фазы А, соответственно, составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей; а – единичный вектор, равный а = е ^{j 120}, умножение на него соответствует повороту исходного вектора против часовой стрелки на угол 120; a² = e ^{j 240}.

Для симметричной системы:

Составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей для фаз В и С равны по значению соответствующим составляющим фазы А. Ориентация этих фаз зависит от вида последовательности: для нулевой последовательности – векторы всех фаз совпадают; для прямой последовательности – вектор отстает от на 120 , а – на 240 ; для обратной последовательности – вектор отстает от на 240 , а – на 120 

Переход от симметричных составляющих к результирующей системе производится по следующим формулам:

П ри выполнении преобразований необходимо учитывать следующее свойство:

1 + а + а ² = 0.

Наряду с (3.2) несимметрию напряжений оценивают с помощью соотношений:

Для ориентировочных оценок можно принимать относительное значение U₂=(2/3)к_нес. Напряжение прямой последовательности во всех реальных случаях рекомендуется принимать равным 1 о.е.

Несимметрия напряжений трехфазной системы возникает вследствие несимметричного распределения токов нагрузки по отдельным обмоткам фаз статора генератора из-за неравномерного распределения однофазных приемников по фазам генератора и суммарного небаланса несимметричных трехфазных приемников. Небаланс напряжений системы может увеличиваться за счет собственного небаланса напряжений трехфазного генератора в режиме холостого хода. Однако для генераторов средней и большой мощности он не превышает 0,1…0,2 % и лишь в отдельных случаях достигает 0,5…0,6 %, а у генераторов мощностью менее 100…200 кВт может быть больше. Учитывая сказанное, подключение потребителей в СЭЭС должно быть таким, чтобы в нормальных условиях ток отдельных фаз отличался не более чем на 15 %.

Судовые сети выполняются с изолированной нейтралью, поэтому основной ущерб от небаланса напряжений определяется влиянием на работу потребителей составляющей обратной последовательности. Степень влияния зависит от вида потребителей.

В электрических машинах любой несимметричный режим сопровождается появлением высших гармонических составляющих. Степень проявления рассмотренного эффекта зависит от глубины несимметрии и параметров электрических машин. Для синхронных генераторов считается допустимым значение тока обратной последовательности  5 %, при этом токи в фазах не должны превышать номинального значения, что ведет к снижению мощности машины.

Наличие составляющей обратной последовательности в питающем напряжении вызывает дополнительный нагрев АД и появление тормозящего момента (m):

г де z₁, z₂ – сопротивления токам прямой и обратной последовательностей; s – скольжение, равное s = (n_c – n)/ n_c, n_c – синхронная частота вращения.

О бычно при номинальной нагрузке s = 0,05, z₂  0,162, z₁  (5…7) z₂, тогда

Дополнительные потери (P_нс), возникающие в АД при несимметрии напряжений можно оценить:

г де: Р_м1 – потери в меди статора при номинальном токе прямой последовательности; I_п^* - отношение пускового тока к номинальному.

Срок службы загруженного до номинальной мощности АД, работающего при несимметрии напряжения в 2 % сокращается незначительно, а при 4 % - сокращается примерно в два раза.

Для линий электропередач и трансформаторов небаланс напряжений приводит к неравномерности загрузки фаз и, по условиям нагрева, к снижению допустимого тока прямой последовательности. Таким образом, работа в таких условиях уменьшает пропускную способность линий электропередач.

В многофазных выпрямителях и преобразователях несимметрия напряжений снижает эффективность их работы. В 3-х, 6-и, 12-и схемах выпрямления возникают пульсации двойной частоты на стороне постоянного тока. Амплитуды этих пульсаций пропорциональны _u2. Они вызывают резонанс в сглаживающих фильтрах, перегружают конденсаторы фильтров, плохо сказываются в сети постоянного тока.

К онденсаторные установки поперечного включения неравномерно загружаются реактивной мощностью, которая всегда меньше номинальной:

где U_зф – напряжение наиболее загруженной фазы.

4. Коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения (к_иск):

(3.3)

г де U₁- действующее значение первой, а U_ - действующее значение  - ой гармоники напряжения, представляемого в виде спектра гармоник:

Значение коэффициента искажений не должно превышать 10 %.

Небольшие искажения обусловлены конструктивными особенностями генераторов. Большие – нелинейной нагрузкой, в том числе мощными полупроводниковыми преобразователями.

При больших искажениях вместо выражения (3.3) искажения оценивают по формуле:

(3.4)

Коэффициент искажения, рассчитанный по формуле (3.3), при любых искажениях будет меньше 100 %. При малых искажениях значения коэффициентов искажений, рассчитанных по формулам (3.3) и (3.4), практически совпадают.

Высшие гармоники нежелательны по ряду причин:

- возникают дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах, сетях;

- затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов (X_c = 1/(C));

- сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов;

- ухудшается качество работы систем защиты, автоматики, связи.

Дополнительные потери (Р_доп) в обмотках статора АД, возникающие от высших гармоник питающего напряжения, можно оценить:

г де Р_мн = 3 I_ном² R; R – сопротивление фазы обмотки статора; U_^* - напряжение  - ой гармоники в относительных единицах; «+» в (3.5) имеют гармоники порядка  = 3 к – 1; «-» в (3.5) – гармоники порядка  = 3 к + 1.

При несинусоидальности питающего напряжения, не превышающей 10…15 %, добавочные потери не вызывают нагрева АД.

П отери активной мощности от токов высших гармоник (Р_доп) в обмотках трансформатора определяются:

где: r_т – сопротивление обмоток трансформатора; к_т – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления трансформатора из-за влияния поверхностного эффекта и эффекта близости.

Для силовых трансформаторов: к₅ = 2,1; к₇ = 2,5; к₁₁ = 3,2; к₁₃ = 3,7. Потери в стали трансформатора зависят от формы кривой подводимого напряжения: при заостренной форме они уменьшаются, при уплощенной – увеличиваются. Форма кривой определяется не только составом гармоник, но и фазовым сдвигом гармоник относительно основной. Потери в стали 1/(к_иск²).

Батареи конденсаторов, без применения специальных мер защиты от высших гармоник, фактически не работают. Связано это с систематической перегрузкой батарей по току. Однако, если перегрузка токами высших гармоник не превышает 30 % I_н и конденсаторы не отключаются защитой, то срок их службы сокращается, так как при несинусоидальном напряжении процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает более интенсивно. Коэффициент диэлектрических потерь (tg) при к_иск⁼ 5 % через 2 года эксплуатации увеличивается в два раза.

В элементах автоматики и защиты, в зависимости от элементной базы и принципа работы, несинусоидальность напряжения может вызвать ложные срабатывания, отсутствие срабатывания, уменьшить точность регулирования. Для этих устройств существенным является то, что порядок гармоники определяет вид последовательности которую они образуют. Высшие гармоники порядка  =3к+1 (4, 7, 10, 13…) в кривых напряжений образуют системы прямой последовательности. Гармоники  =3к-1 (2, 5, 8…) – образуют системы обратной последовательности, гармоники  =3к (3, 6, 9…) – нулевой последовательности.

4. К оэффициент амплитудной низкочастотной модуляции (к_мод):

где U_{m max}, U_{m min}, U_{m ном} – наибольшее, наименьшее и номинальное амплитудные значения одного линейного (фазного) напряжения, взятые за определенный интервал времени.

Амплитудная низкочастотная модуляция напряжения – это процесс периодического изменения напряжения относительно его среднего (немодулированного) значения, возникающий как следствие собственных колебательных процессов в СЭЭС и который с определенными допущениями можно представить:

На рис. 3.2 показан вид кривых напряжений, соответствующих: модулированному напряжению, немодулированному напряжению (50 Гц) и напряжению модуляции (U_мод= 10 %, f_мод=2 Гц).

Рис. 3.2. Вид кривых напряжений

В реальных условиях огибающая модулированного напряжения может отличаться от синусоиды. Частота модуляции (f_мод) примерно на два порядка ниже основной частоты напряжения. Значения к_мод для СЭЭС составляют 1 %. Этот показатель качества напряжения введен из-за критичности отдельных судовых потребителей к низкочастотной модуляции.