4. Підвищення енергетичних показників і зменшення впливу на мережу електроприводів з вентильними перетворювачами

4.1. Традиційні способи компенсації реактивної потужності

В наш час застосовують такі методи регулювання якості елек­троенергії і зменшення впливу на мережу вентильних електро­приводів:

• використання традиційних способів компенсації реактив­ної енергії. До них належать синхронні двигуни і компенсатори, а також батареї конденсаторів;

• застосування багатофункціональних пристроїв — силових резонансних фільтрів. До них належать: фільтрокомпенсуючі (ФКП) і фільтросиметруючі (ФСП) пристрої; пристрої «акумуля­торна батарея — перетворювач»; коректори потужності; статичні тиристорні компенсатори. Перераховані пристрої забезпечують одночасно компенсацію реактивної потужності, фільтрацію вищих гармонік, зменшення відхилень і коливань напруги та її симетру- вання по фазах;

• зниження рівнів гармонік засобами мережі живлення;

• використання спеціальних способів керування і схемних рішень вентильних перетворювачів;

• застосування систем керування вентильними перетворюва­чами, що дозволяють поліпшити енергетичні показники електро­привода.

Синхронні двигуни є ефективним засобом компенсації реак­тивної потужності в системі електропостачання. Виконуючи свою основну функцію приводного двигуна, СД одночасно можуть ге­нерувати в мережу реактивну потужність, тобто працювати з ви­

переджальним созф. Це забезпечується відповідним регулюванням їх струму збудження.

Синхронні компенсатори призначені для компенсації коефі­цієнта потужності мережі і підтримки нормального рівня напруги в районах зосередження споживчих навантажень. Нормальним є перезбуджений режим роботи синхронного компенсатора, коли він віддає в мережу реактивну потужність.

У зв’язку з цим компенсатори, як і призначені для цієї ж мети батареї конденсаторів, установлювані на споживчих підстанціях, називають також генераторами реактивної потужності. Однак у періоди спаду споживчих навантажень (наприклад, уночі) нерідко виникає необхідність роботи синхронних компенсаторів також у недозбудженому режимі, коли вони споживають з мережі індук­тивний струм і реактивну потужність. У цьому випадку напруга мережі прагне зрости, і для підтримки її на нормальному рівні не­обхідно завантажити мережу індуктивними струмами, що викли­кають у ній додаткове зниження напруги. Для цього кожен син­хронний компенсатор забезпечується автоматичним регулятором збудження, що підтримує напругу на затискачах компенсатора ста­лою.

Синхронні компенсатори позбавлені приводних двигунів і з погляду режиму своєї роботи, по суті, є синхронними двигунами, що працюють на неробочому ходу. Тому синхронні компенсатори завантажені також невеликим активним струмом і споживають з мережі активну потужність для покриття своїх втрат. Компенса­тори будуються на потужність до 5_Н = 100 МВ • А і мають полюс­ну конструкцію, звичайно з і мають полюсну конструкцію, зви­чайно з 2р — 6 чи 8. Потужні компенсатори мають водневе охолод­ження.

Для здійснення асинхронного пуску всі синхронні компенса­тори забезпечуються пусковими обмотками в полюсних наконеч­никах, полюси робляться масивними. При цьому використовуєть­ся спосіб прямого, а в необхідних випадках - реакторного пуску. Іноді потужні компенсатори пускаються в хід також за допомогою пускових фазних асинхронних двигунів, що розміщуються з ними на одному валу. Для синхронізації з мережею при цьому звичайно використовується метод самосинхронізації.

Оскільки синхронні компенсатори не розвивають активної потужності, то питання про статичну стійкість роботи для них втра­чає гостроту. Вони виготовляються з меншим повітряним зазором, ніж генератори та двигуни, тому реактивні опори в них більші.

Зменшення зазору дозволяє полегшити обмотку збудження й зде­шевити машину.

Номінальна повна потужність синхронного компенсатора 5_Н = тСІ_иІ_ивідповідає його роботі з перезбудженням. Найбільші зна­чення струму і потужності в недозбудженому режимі виходять при роботі в реактивному режимі з і— 0 і Е—0. Якщо знехтувати втра-

тами, то Ло- , і відповідна повна потужність складає

^Хі ^ХА

Відповідно до останніх рівностей

£ив _ _ 1

5_Н х_аІ_н

Звичайно л: = 1,5 н- 2,2 і тг ⁼

У більшості випадків у недозбудженому режимі вимагаються менші потужності, ніж у перезбудженому, і зазначені вище значен­ня відношень задовольняють експлуатаційним вимогам, але в дея­ких випадках необхідна велика потужність 5_{Н в}. Цього можна досяг­ти збільшенням зазору, що, однак, призводить до подорожчання машини, тому останнім часом ставиться питання про використан­ня режиму з негативним струмом збудження. При цьому £<0, унас­лідок чого /_нз зростає. Оскільки синхронний компенсатор по ак­тивній потужності завантажений тільки втратами, він може працю­вати стійко також з невеликим негативним збудженням.

У ряді випадків у маловодні періоди для роботи в режимі ком­пенсаторів використовуються також генератори гідроелектро­станцій.

Конденсатори — це спеціальні ємності, призначені для вироб­лення реактивної потужності. Конденсатори в порівнянні з інши­ми джерелами реактивної потужності мають такі переваги, як малі втрати реактивної потужності, простоту монтажу й експлуатації. До їх недоліків слід віднести залежність генерованої потужності від напруги, недостатню стійкість при перевантаженнях по стру­му і напрузі, а також погіршення роботи в мережах з підвищеним вмістом вищих гармонік.

4.2. Силові резонансні фільтри

енергетичного призначення

Зниження рівня вищих гармонік в електромережах є частиною загальної задачі зменшення впливу нелінійних навантажень на мережу живлення і поліпшення якості енергії в електричних ме­режах підприємств. Комплексне вирішення цієї задачі, засноване на застосуванні багатофункціональних пристроїв, виявляється в економічному відношенні більш доцільним, ніж, наприклад, ви­користання заходів щодо поліпшення форми струму мережі пере­творювача. Прикладом таких багатофункціональних пристроїв є силові резонансні фільтри (СРФ) вищих гармонік, так звані фільтрокомпенсуючі пристрої, що поряд зі зниженням рівня ви­щих гармонік генерують у мережу реактивну потужність. За пев­них умов такі фільтри можуть використовуватися також для си- метрування системи нелінійних напруг в електромережі. Фільтри можуть використовуватися для поділу лінійних і нелінійних наван­тажень (загороджувальні фільтри) чи для шунтування (поглинан­ня) струмів вищих гармонік.

Поділ лінійних і нелінійних навантажень може здійснюватися задопомогою фільтрів низьких частот (ФНЧ) чи смугових фільтрів. Останні більш складні, ніж ФНЧ. Найпростішим фільтром низь­кої частоти є Г-подібний фільтр, контур якого утворюється індук­тивністю трансформатора перетворювача і ємністю батареї кон­денсаторів, підключеної до шин підстанції. Шоб уникнути резо­нансних підвищень напруги на частотах гармонік, резонансна частота контуру мережа — батарея конденсаторів повинна бути меншою частоти найменшої гармоніки амплітудного спектра стру­му (ЕРС) нелінійного навантаження.

Відношення опорів навантаження (батареї) і мережі для л-ї гармоніки:

*а.₌А

а,²'

Відношення потужності короткого замикання за трансформа­тором живлення до потужності цього трансформатора знаходить­ся в межах:

— = 5 + 10.

Відношення струмів п-'і гармоніки після фільтра і до фільтра позначимо в такий спосіб:

За допомогою останніх виразів співвідношення між потужні­стю трансформатора живлення і реактивною потужністю батареї конденсаторів, при якому забезпечується задане значення коефі­цієнта к, записується у вигляді

а (5-ю)5_т(і-к)

Б, кп²

Останній вираз дозволяє дійти висновку, що для ефективного зниження рівнів гармонік за допомогою Г-подібного фільтра по­трібна потужність батареї конденсаторів того ж порядку, що і по­тужність трансформатора живлення. Очевидно, що таке рішення нераціональне.

Аналогічний результат виходить і при використанні мостових ФНЧ. Застосування Т-подібного фільтра менш доцільно, ніж П- подібного, тому що Т-подібний фільтр менш надійний через на­явність двох послідовно включених реакторів. Крім того, вхідний опір Т-подібного фільтра на частотах гармонік дещо вище, ніж П- подібного, тому спотворення кривої напруги на затискачах не­лінійного навантаження будуть також великими.

	1
	-с -	=с

При визначенні параметрів реакторів і конденсаторів фільтрів знехтуємо активними опорами фільтра і систем електропостачан­ня. Передатна функція по струму схеми, наведеної на рис,7.21, має вид:

т=-

к

*',(/») Р*С²Ь_иЬ + р²С(21_й+Ь) + Ґ /, 1

_ -*2 _

де Х_р, Х_н, Х_с - реактивні опори реактора фільтра, навантажен­ня і поперечного плеча фільтра.

Х_р _ Х_н_

Позначивши^-^^- ” ІТГ" “ ^рі , вираз для к при заданому Л_и Л_с

значенні коефіцієнта к знайдемо з рівняння:

* ₌—&—+.І ¹~^к

2(к_ип +2) \а(ку+2)п‘

2(^У+2)

Для к_н= 1, к — 0,5 і п = 5 виявляється к_р1 =0,025. Отже, сумарна потужність батареї конденсаторів фільтра:

Оь =2-0,025(5-10)5_Т =(0,25-0,5)і5^,_т.

Таким чином, для ефективного зниження рівнів гармонік на­пруги в мережі потрібна встановлена потужність батареї конден­саторів близька до потужності трансформатора живлення.

При паралельному сполученні ЬС-кіл, настроєних на частоти окремих гармонік, реалізується ланцюговий фільтр. Дефіцит ре­активної потужності на шинах підстанції в цьому випадку може бути цілком покритий за допомогою батареї конденсаторів фільтрів, причому встановлена потужність конденсаторів викори­стовується на 80-90%. Таким чином, ланцюгові фільтри є найбільш простими й економічними (рис. 7.22).

з

з з

а

б

в

Рис. 7.22

У схемі рис. 7.22.а ізоляція конденсаторів відносно землі зна­ходиться під напругою, що не перевищує фазну напругу мережі, тобто підвищується надійність використання батареї. Найбільше поширення одержала схема наведена на рис. 7.22.6.

Технічними умовами на експлуатацію конденсаторів передба­чається обмеження перевищень напруги і струму понад номінальні значення деякими величинами С_и і С (участках номінальних зна­чень). При роботі конденсаторів у мережах з гармоніками іноді ви­сувається додаткова вимога, що обмежує потужність батареї в ро­бочих режимах номінальним значенням. При цьому приймається

Знайдемо вираз для потужності батареї конденсаторів сило­вого резонансного фільтра п-ї гармоніки, припускаючи, що в колі фільтра протікає струм лише 1-ї і п-ї гармонік. Напруга на батареї конденсаторів не перевищує припустимого (номінального) зна­чення, якщо дотримується умова:

строєний фільтр; ІІ_т — найбільше можливе в експлуатації значен­ня лінійної напруги на шинах підстанції; £/ - номінальна лінійна напруга батареї конденсаторів фільтра.

При сполученні конденсаторів у трикутник чи зірку значення коефіцієнта к_с береться відповідно рівним одиниці чи^/з . Непри­пустимі перевантаження конденсаторів фільтра по струму не ма­ють місця, якщо:

де /_Ір і /_пр — лінійні струми 1 -ї і п-ї гармонік у колі фільтра; І — номінальний струм батареї.

Якщо в колі встановлено кілька фільтрів, то в першому набли­женні можна припустити, що через кожен фільтр проходить струм

1-ї гармоніки, на частоту якої він настроєний. У цьому випадку вираз для потужності батареї конденсаторів фільтра п-ї гармоніки може бути представлено у вигляді

Спрощений вираз для (?, застосований на практиці, має ви­гляд:

лученні в зірку к_с = З,

Для врахування обмежень потужності батареї необхідно також дотримання умови:

де 0_1р і б_пр- реактивна потужність батареї на частотах 1-ї і п-ї гармонік. Ця умова задовольняється, якщо:

Р — ”^р

Де^р ,

нр

При стабільній несиметрії напруг силові резонансні фільтри можуть використовуватися одночасно як симетруючі пристрої, оскільки при промисловій частоті індуктивний опір реакторів ма­лий в порівнянні з опором батареї.

Схеми деяких ФКП наведені на рис.7.23.

Фільтрокомпенсуючі і фільтросиметруючі пристрої склада­ються з керованого компенсатора КК, що забезпечує регулюван­ня реактивної потужності, і енергетичних фільтрів Ф, що служать для фільтрації вищих гармонік струму електропривода, а також компенсації реактивної потужності.

Енергетичні фільтри — це послідовні індуктивно-ємнісні ЬС резонансні кола, настроєні на частоти вищих гармонік вентиль­них електроприводів. Число паралельно включених резонансних кіл фільтрів повинне бути таким, щоб коефіцієнт несинусоїдаль- ності напруги був не більше 5%. Для кожної непарної вищої гар­моніки використовується свій фільтр, для всіх парних гармонік ви­користовується один фільтр.

Реактивна потужність, генерована фільтром п-ї гармоніки, ви­значається виразом:

Ф

кк

Рис. 7.23

\ /

де {/«0,95 £/_л — напруга основної гармоніки лінійної напруги мережі £/; С_п — ємність фільтра п-ї гармоніки.

Сумарна реактивна потужність усіх фільтрів визначає постійну складову компенсованої реактивної потужності. Регулювання ком­пенсованої потужності здійснюється за допомогою керованого компенсатора, що звичайно складається з реактора Ы, керовано­го за допомогою тиристорного перетворювача ТП. При закритих тиристорах реактивна потужність реактором не споживається і ге­нерована пристроєм реактивна потужність дорівнює потужності фільтрів Ф.

При відкритті тиристорів реактор починає споживати реактив­ну потужність, у результаті чого потужність, що віддається в мере­жу, буде визначатися різницею потужності, генерованої фільтра­ми, і потужності, споживаної реактором: