ДИНАМИЧЕСКАЯ КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Электромагнитная совместимость (ЭМС) – это способность электрооборудования удовлетворительно функционировать в условиях электромагнитных взаимодействий со стороны окружающей среды, а также не оказывать недопустимого воздействия на эту окружающую среду, которая включает в себя другое электрооборудование.

В настоящее время оценка продукции с точки зрения ЭМС в ещё большей степени, чем на ранних этапах развития электроники. Электромагнитная совместимость является одной из важных характеристик современного выпускаемого электрооборудования.

Вопросы электромагнитной совместимости регламентируются как отечественными, так и европейскими нормами. Согласно ГОСТ 13109-97 нормируются следующие показатели качества электроэнергии:

1. Установившееся отклонение напряжения :

где  – усреднённое значение напряжения в интервале времени 1 мин;

2) Колебания напряжения на зажимах потребителей электрической энергии;

Объективным показателем ЭМС выпускаемого оборудования является ЭС-знак, который выдаётся специализированными лабораториями.

ЭМС технических средств – это способность технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

Электропривод прокатных станов, шахтных подземных установок и аналогичных технологических установок является потребителем энергии с резкопеременным характером нагрузки.

Условия компенсации реактивных мощностей сдвига и искажения могут быть получены на основании представления мгновенной проводимости электрической сети, относительно мгновенного значения тока к мгновенному значению напряжения, в виде суммы активной и реактивной мощностей и проводимости тока высших гармоник.

Размах изменения напряжения в точке подключения тиристорного электропривода, с достаточной для практического применения точностью, может быть определен по формуле:

,

где  – уровень наброса реактивной мощности;

 – мощность короткого замыкания сети в рассматриваемой точке.

С точки зрения практической реализации наибольшее распространение получили статические тиристорно-регулируемые компенсаторы реактивной мощности.

Быстродействие статического компенсатора (СТК) реактивной мощности существенно влияет на эффективность компенсации колебаний напряжения питающей сети в точке подключения потребителя. Приемлемое время запаздывания компенсатора на изменение режима мощности лежит в пределах 57 мс.

Наиболее целесообразным способом управления СТК является комбинированный способ управления, структура которого изображена на рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема комбинированной системы управления СТК

где:

 – заданное значение реактивной мощности;

 – реактивная мощность потребителя;

 – реактивная мощность компенсатора;

 – реактивная мощность в узле подключения нагрузки и компенсатора;

 – передаточная функция СТК;

 – передаточная функция корректирующего звена разомкнутой цепи системы управления;

 – передаточная функция датчика реактивной мощности;

 – передаточная функция регулятора.

Колебания реактивной мощности приводят к колебаниям напряжения. Для случая, когда отношение активного сопротивления сети к индуктивному сопротивлению значительно меньше единицы. Максимальное отклонение напряжения можно определить из выражения 1.

Колебания напряжения негативно влияют на другие параллельно подключенные потребители. Наибольшее распространение для уменьшения колебаний напряжения нашли компенсационные установки, которые благодаря быстродействующему динамическому изменению их реактивной мощности параллельно с преобразователем потребителя поддерживают в питающей сети равномерное потребление реактивной мощности, которую в дальнейшем без особых проблем компенсируют параллельно включенными конденсаторными батареями (рис.2).

Рисунок 2. Схема силовой части с устройством компенсации

Эффективность работы такой установки в значительной степени зависит от быстродействия датчиков реактивной мощности.

Рассмотрим случай работы электропривода с компенсатором реактивной мощности с периодом дискретности .

Рисунок 3. Структурные схемы тиристорного электропривода (вверху) и компенсатора реактивной мощности (внизу)

Анализируя структурную схему на рис. 3 получаем, что величина реактивной мощности электропривода определяется переменными внутреннего контура системы подчиненного регулирования, т.е. контура тока. Ограничение максимального значения тока якоря в электроприводе достигается ограничением темпа разгона электропривода. Такая операция обеспечивает ограничение рывка в процессе его разгона (рис.4). Для выполнения этого используется задатчик интенсивности. Скорость изменения реактивной мощности электропривода в момент разгона определяет требуемые динамические показатели устройств компенсации реактивной мощности (рис. 5). Эти изменения обусловлены протеканием динамических процессов в нём.

Рисунок 4. График изменения скорости электропривода

Рисунок 5. График компенсации реактивной мощности

На графике рис.5 показаны три характеристики: жёлтая – реактивная мощность электропривода, синяя – реактивная мощность компенсатора и оранжевая – реактивная мощность в узле подключения нагрузки и компенсатора.

Из этого следует, что компенсация реактивной мощности актуальна для предприятий и производств, где основными потребителями электроэнергии являются асинхронные двигатели. Коэффициент мощности без принятия мер по её компенсации составляет 0,7- 0,75 для больших нагрузок, а при малых уменьшается до 0,2-0,4, что является неприемлемым для работы. Это связано с тем, что в электрических машинах магнитный поток связан с обмотками. При протекании по этим обмоткам переменного тока, индуцируются реактивные ЭДС, которые обуславливают сдвиг по фазе между током и напряжением, при увеличении которого коэффициент мощности уменьшается. Таким образом, для компенсации реактивной мощности необходимо устройство, которое будет регулировать , а также учитывать любые изменения условий работы электрооборудования. Принцип его работы заключается в подключении к сети необходимого в данный момент времени количества конденсаторов для известного мгновенного значения реактивной мощности, которое отслеживается программатором.

Как следствие, необходимо отметить, что скорость нарастания реактивной мощности электропривода в момент разгона, когда эта мощность достигает максимального значения, определяется темпом формирования тока якоря электропривода. Таким образом, динамика изменения реактивной мощности определяется переходной функцией настройки контура регулирования. Также ограничение рывка при разгоне электропривода снижает скорость нарастания реактивной мощности.

ВЫВОДЫ

В процессе исследования перед нами была поставлена задача спроектировать систему электропривода с динамической компенсацией реактивной мощности с целью моделирования самого процесса ее компенсации.

Компенсация реактивной мощности, как энергосберегающее мероприятие, необходима для обеспечения эффективной работы системы электроснабжения производства, улучшения качества электрической энергии не только для всего предприятия в целом, но и за его пределами. Прохождение реактивной мощности сопровождается увеличением тока, а, следовательно, вызывает дополнительные затраты на увеличение сечений проводников, создает дополнительные потери электроэнергии. Кроме того, увеличиваются потери напряжения, что также негативно сказывается на качестве электроэнергии. Поэтому для оптимальной компенсации реактивной мощности очень важен правильный расчет и выбор устройств компенсации, что мы и подтвердили в нашем исследовании.

Список литературы:

1. Электромагнитная совместимость потребителей: И.В. Жежеленко, А.К. Шидловский, Г.Г. Пивняк и др. – М.: Машиностроение, 2012. – 351 стр.
2. Adolf J. Schwab, Wolfgang Kürner. Elektromagnetische Verträglichkeit. Springer Heidelberg Dorelrecht London New York, 2011
3. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: учебник для вузов/ Г.Я. Вагин, А.Б. Лоскутов и др.: – М.: ЦЦ «Академия», 2010г. – 224с.
4. Калашников С.Н. Быстродействующий компенсатор реактивной мощности с микропроцессорным управлением для тиристорных электроприводов шахтных подъёмных установок: дис. … канд. тех. наук. – М., 1989 г.