8. Питання якості електричної енергії

Електроенергія, як особливий вид продукції, має визначені характеристики, що дозволяють судити про її придатність у різних виробничих процесах.

Сукупності характеристик, при яких приймачі електроенергії здатні виконувати закладені в них функції, об'єднані загальним поняттям якості електроенергії.

В останні роки підвищенню якості електроенергії приділяють велику увагу, тому що якість електроенергії може істотно впливати на витрату електроенергії, надійність систем електропостачання, технологічний процес виробництва.

Прагнення підвищити продуктивність праці на сучасних промислових підприємствах, а також ускладнення технологічних процесів обумовили широке застосування регульованих вентильних електроприводів, могутніх дугових печей, зварювальних установок. Характерною рисою роботи цих споживачів є вплив їх на якість електроенергії живильних мереж. У свою чергу нормальна робота електроустаткування залежить від якості електроенергії живильної системи. Взаємний вплив електроустаткування і живильної системи називають електромагнітною сумісністю.

Рішення проблеми електромагнітної сумісності зв'язано з визначенням і підтримкою оптимальних показників якості електроенергії, при яких виконуються технічні вимоги з мінімальними витратами.

Виділяють наступні питання при рішенні задачі підвищення якості електроенергії: економічні; математичні і технічні.

Економічні питання містять у собі методи розрахунку збитків від неякісної електроенергії в системах промислового електропостачання. Математичні аспекти являють собою обґрунтування тих чи інших методів розрахунку показників якості електроенергії. Технічні аспекти містять у собі розробку технічних засобів і заходів, що поліпшують якість електроенергії, а також організацію системи контролю і керування якістю.

Відповідно до ДСТ 13109-67* показників якості для приймачів електроенергії прийняті наступні:

1) при живленні від електричних мереж однофазного струму: відхилення частоти; відхилення напруги; розмах коливань частоти; розмах зміни напруги; коефіцієнт несинусоїдальностi напруги;

2) при живленні від електричних мереж трифазного струму: відхилення частоти; відхилення напруги; розмах коливань частоти; розмах зміни напруги; коефіцієнт несинусоїдальностi напруги; коефіцієнт несиметрії напруг; коефіцієнт неврівноваженості напруг;

3) при живленні від електричних мереж постійного струму: відхилення напруги; розмах зміни напруги; коефіцієнт пульсації напруги.

Значення показників якості електроенергії повинні знаходитися в припустимих межах з інтегральною імовірністю 0,95 за встановлений період часу.

Для аналізу якості електроенергії в системах електропостачання промислових підприємств передбачають їхній контроль з наступною періодичністю вимірів:

1) при контролі відхилень напруги;

а) для підприємств із п'ятиденним робочим тижнем і вузлів енергосистем — не менш одних робітників і однієї неробочої доби;

б) для підприємств із безупинним виробництвом – не менш однієї доби;

в) у всіх інших випадках — не менш двох робітників і однієї неробочої доби;

2) при контролі коефіцієнта несинусоїдальностi напруги, розмаху зміни напруги, розмаху коливань частоти;

а) в електричних мережах з електродуговими сталеплавильними печами — протягом 30 хв у період найбільших навантажень (період розплавлювання);

б) в електричних мережах з установками електродугового і контактного зварювання — протягом 30 хв;

в) в електричних мережах з обтискними прокатними станами — протягом 10—12 циклів прокатки;

г) в електричних мережах житлових і суспільних будинків — протягом 1 ч у період виникнення найбільших коливань напруги;

д) у всіх інших випадках – протягом однієї доби;

3) при контролі коефіцієнта несиметрії напруг,

а) у мережах з однофазними електропечами, що працюють у «спокійному» режимі (печі опору, електрошлакового переплаву й ін.),—за 1 год у період найбільших навантажень,

б) у мережах з однофазними навантаженнями, що працюють у рiзкоперемiнному режимі (електродугові сталеплавильні печі, тягові навантаження, електродугове і контактне електрозварювання і т д.), — протягом 1 год у період найбільших навантажень,

в) у всіх інших випадках — протягом однієї доби,

4) при контролі коефіцієнта неврівноваженості напруг – протягом однієї доби,

5) при контролі коефіцієнта пульсації випрямленної напруги — протягом 30 хв,

6) контроль за відхиленням частоти повинний бути постійним

Якість електроенергії можна поліпшити засобами живильної чи мережі застосуванням відповідного додаткового устаткування на основі наявного досвіду проектних і експлуатаційних організацій

Частина рішень, в основному обумовлених технічними вимогами, є загальною і повинна прийматися на основі наявних вказівок В інших випадках враховують специфіку конкретних умов (наявність великих ударних навантажень може вважатися особливістю підприємств).

Питання якості електроенергії вимагають більш ретельної розробки і вивчення явищ, що відбуваються при цьому. Особливі труднощі обумовлені відсутністю необхідних вимірювальних приладів в електричних мережах і необхідністю зміни методів вимірів. Це пов'язано, наприклад, з випадковим характером зміни навантажень, що у свою чергу вимагає застосування статистичних приладів і відповідної обробки одержуваної інформації – використання ймовірносно-статистичних методів розрахунку.

СТРУКТУРА ЕНЕРГЕТИЧНОГО КАНАЛУ ЕЛЕКТРОПРИВОДА 

Вид структурної схеми енергетичного каналу електропривода  представлений на  рис 1. 

Рис.1

Пристрої керування представлені без поділу на блоки. У загальному випадку вони можуть бути зв'язані з усіма силовими елементами. Ці зв'язки двох типів: від пристроїв керування до енергетичної частини -керуючі, від енергетичної  до пристроїв - сигнали зворотних зв'язків. Двонапрямлені стрілки в силовому каналі  позначають те, що енергія   може   передаватися   між   двома   елементами   в   будь-якому напрямку. Кожний з елементів ланцюга перетворення енергії може бути   охарактеризований трьома  основними показниками:  якістю протікання процесу, тривалістю його протікання і можливістю, керування цим процесом. 

Перший   елемент  -   розподільна   мережа   (PМ),   по   якій здійснюється   підведення  електроенергії.   Параметри   мережі   впливають  на параметри   електроенергії, що   надходить   на   вхід   електропривода.  Якість електроенергії по існуючим представленнях містить у собі несинусоідальність і несиметрію напруги харчування, коливання і відхилення напруги і частоти. Якість живильного напруги  впливає на режим роботи електропривода і назад, характеристики і режими силового каналу електропривода визначають режим і втрати енергії в розподільній мережі. 

Питання електромеханічного й енергетичного зв'язку територіально розосереджених електроприводів, оцінки їх взаємного впливу є дуже важливими для потужних агрегатів, зв'язаних загальною мережею живлення. Режими роботи окремо узятих електроприймачів впливають на сусідні, що призводить до певних наслідків технологічного характеру. Умови реалізації енергозберігаючих заходів шляхом відключення технологічних установок вимагають вживання заходів не тільки для полегшення пуску таких приводів, але і мір, що виключають вплив на інші агрегати, у тому числі і територіально віддалені. Відповідні проблеми виникають і при керуванні енергетичними режимами таких приводів. 

Працездатність розподільної мережі як частини енергосистеми - показник, що характеризує надійність - залежить від режиму енергопостачання, а також від показників якості енергії.

Енергосистема має можливість формувати як ПКЕ, так і режим енергопостачання. Якщо електропривод містить у собі перетворювач енергії, його показники споживання енергії мають близький до ПКЕ характер, але відрізняються тим, що показники неякісності споживання енергії деякою мірою визначають ПКЕ системи. До цих показників відносяться складові повної потужності і гармонік струму і напруги споживаних з мережі. 

Миттєва потужність, обумовлена добутком миттєвих напруг і струму на вході перетворювача, дорівнює швидкості надходження електромагнітної енергії в перетворювач у даний момент і змінюється протягом періоду змінного струму і за значенням, і за знаком. Якщо миттєва потужність позитивна, то енергія надходить у перетворювач, якщо негативна - повертається джерелу. Можливість повернення енергії до джерела обумовлена тим, що з електричним ланцюгом зв'язане електромагнітне поле, що запасає її протягом однієї частини періоду змінного струму і, що вертає її в плин іншої частини періоду. У схемі електричного ланцюга привода цей оборотний енергетичний процес відбивають індуктивності і ємності.

Активна потужність дорівнює середньому значенню миттєвої потужності за період напруги живлення і визначає кількість електромагнітної енергії, що  перетвориться за секунду в теплоту чи інші форми енергії. Вона характеризує корисну роботу в навантаженні, включаючи корисну потужність і потужність втрат в установці. 

Повна потужність визначає розрахункові струми і напруги мережі, вона завжди більше фактично переданої навантаженню активної потужності через існування неактивних складових потужності, що, не створюючи корисного ефекту, приводять у той же час до збільшення втрат у живильній мережі й електроприводі. Відомі три неактивних складових повної потужності: реактивна потужність, потужність спотворення і потужність несиметрії. 

Реактивна потужність, чи потужність зсуву, обумовлена зсувом по фазі основної гармоніки струму навантаження щодо синусоїдальної напруги живильної мережі. При цьому під основною гармонікою струму, розуміється його складова, що змінюється з частотою напруги мережі. Внаслідок зсуву основної гармоніки струму з'являється реактивна складова струму, що не бере участь у передачі активної потужності навантаженню, тому що середнє арифметичне миттєвої потужності за період від цієї складовий дорівнює нулю. У той же час, протікаючи в перетворювачі і живильній мережі реактивна складова створює додаткові втрати енергії. 

Потужність спотворення обумовлена протіканням гармонік струму, не співпадаючих по частоті з напругою мережі. Середнє арифметичне миттєвої потужності, зв'язаної з цими гармоніками, за період також дорівнює нулю, однак і вони викликають додаткові втрати енергії в мережі. 

Потужність несиметрії враховує додаткові втрати енергії, пов'язані з нерівномірним розподілом струму по фазах багатофазного ланцюга. Утрати пропорційні квадрату струму, і збільшення струму в одній фазі за рахунок інших фаз призводить до збільшення сумарних втрат. 

Електричний перетворювач  (ЕП) перетворює електроенергію, що надходить на його вхід до виду, необхідного для наступного перетворення її в механічну роботу електромеханічним перетворювачем (ЕМП). Електроперетворювач керує рівнями потоків енергії до електромеханічного перетворювача і має можливість керування параметрами споживаної і перетворюваної енергії. Так, можливо: 

· регулювання споживаної реактивної потужності у визначених межах (регулювання коефіцієнта зсуву першої гармоніки струму щодо напруги); 

· регулювання гармонійного складу струму (регулювання коефіцієнта спотворення струму мережі відповідно до заданої функціональної залежності); 

· керування амплітудою і фазою тієї чи іншої гармоніки струму мережі перетворювального пристрою для взаємної компенсації складових струму двох чи більше перетворювальних пристроїв, що живляться від загальної мережі; 

· симетриювання    навантаження    в    живильній    мережі    у    випадку використання перетворювальних пристроїв великої потужності. 

В якості ЕП у сучасному приводі використовуються: 

· керовані і некеровані випрямлячі (рис. 2, а) ; 

· інвертори (рис. 2, б) ; 

· перетворювачі з ланкою постійного струму (рис. 2, в) ; 

· циклоконвертори чи перетворювачі з безпосереднім зв'язком

(рис. 2, г) ; 

· регулятори напруги і струму.

Електромеханічний перетворювач (двигун) перетворює електроенергію в механічну і задає з урахуванням параметрів механічної частини характер механічного руху робочого органа (РО) і перемінний, визначальний цей рух: електромагнітний момент M і частоту обертання w при обертальному русі (силу F і лінійну швидкість  V припоступальному русі).