2784.Электроснабжение предприятий Верхнекамского калийного месторождени

12.2.2. Потребление преобразователями реактивной мощности

Принцип управления работой преобразователей постоянного тока, преобразователей частоты с непосредственной связью с питающей сетью и некоторых типов преобразователей частоты со звеном постоянного то­ ка основан на смещении по фазе импульсов управления тиристоров отно­ сительно напряжения сети. В результате этого происходит задержка в от­ крывании тиристоров по времени и образуется сдвиг основной гармони­ ки (50 Гц) потребляемого преобразователем первичного (сетевого тока) от питающего напряжения. Следовательно, тиристорный преобразова­ тель ведёт себя по отношению к сети как индуктивная нагрузка и по этой причине является потребителем реактивной мощности. Причём, напри­ мер, чем меньше выпрямленное напряжение на выходе тиристорного преобразователя постоянного тока, тем больше сдвиг основной гармони­ ки первичного тока относительно напряжения сети.

Так как тиристорный преобразователь является нелинейной нагруз­ кой и к нему применимы законы нелинейной электротехники, то его ко­ эффициент мощности (Км) определяется как произведение коэффициента сдвига (Кс) на коэффициент искажения (Ки).

Коэффициент сдвига характеризует сдвиг основной гармоники по­ требляемого из сети тока относительно напряжения сети, а коэффициент искажения характеризует степень отличия по форме потребляемого из сети тока от синусоиды. При синусоидальном токе коэффициент иска­ жения равен единице, а Км = cos (р. Значит ухудшение формы сетевого тока также снижает коэффициент мощности, а следовательно, приводит к увеличению потребления реактивной мощности.

Важно знать влияние процесса коммутации тиристоров и на по­ требление преобразователями из сети реактивной мощности. Установле­ но, что с увеличением угла коммутации тиристоров, при прочих других равных условиях, происходит дополнительный сдвиг основной гармони­ ки первичного тока в сторону отставания от напряжения питающей сети, т.е. коэффициент сдвига уменьшается. При этом форма первичного тока несколько улучшается, т.е. коэффициент искажения повышается. Опре­ деляющее влияние оказывает коэффициент сдвига, что приводит в целом к уменьшению коэффициента мощности и увеличению потребления ре­ активной мощности.

Учитывая, что преобразователи выполнены, как правило, на базе трёхфазной нулевой или мостовой схем выпрямления, то на рис. 12.5- 12.8 приведены зависимости коэффициента мощности, а также потребляемых мощностей таких устройств в функции выпрямленного напряже­ ния. Из них видно, что при снижении выпрямленного напряжения воз-

растает потребление преобразователем из сети реактивной мощности, снижается и коэффициент мощности.

При пуске мощных тиристорных электроприводов на участке раз­ гона выпрямленное напряжение низкое, а пусковые токи большие. По­ этому именно на данном участке диаграммы движения привода происхо­ дит толчок реактивной мощности, что может приводить к посадкам на­ пряжения в сети и оказывать негативное влияние на другие потребители, подключенные к этой же сети электроснабжения.

В тех преобразователях частоты, где звено постоянного тока вы­ полнено по схеме неуправляемого трёхфазного выпрямителя, ситуация по реактивной мощности значительно более выгодная. Это обусловлено тем, что из-за отсутствия фазового сдвига кривой первичного тока отно­ сительно напряжения сети коэффициент сдвига практически всегда ра­ вен единице, поэтому небольшое ухудшение коэффициента может про­ исходить только за счёт несинусоидальности потребляемого тока, т.е. че­ рез снижение коэффициента искажения. Таким образом, II 14 со звеном постоянного тока в виде неуправляемого выпрямителя обладают высо­ ким коэффициентом мощности, т.е. потребляют незначительную реак­ тивную мощность.У ТПЧ со звеном постоянного тока в виде управляемо­ го выпрямителя коэффициент мощности снижается одновременно с уменьшением выходного напряжения, т.е. характеристика подобная пре­ образователю постоянного тока.

Ряд тиристорных преобразователей работает не только в выпрями­ тельном, но и инверторном (подобном генераторному) режиме. Следует отметить, что в части искажений формы напряжения и тока эти режимы работы преобразователей абсолютно идентичны. Активная мощность в инверторном режиме, в отличие от выпрямительного, отдаётся в питаю­ щую сеть, а реактивная мощность ведёт себя также, как в выпрямитель­ ном режиме, т.е. потребляется из сети.

Таким образом, преобладающая часть применяемых в настоящее время на калийных предприятиях тиристорных преобразователей, имея высокий к.п.д., являются потребителями реактивной мощности, причём, тем в большей степени, чем ниже величина выходного напряжения по отношению к максимально возможному значению.

12.3. Высшие гармоники в системах электроснабжения

Состав и значения высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения с нелинейными нагрузками необходимо знать по сле­ дующим причинам:

1.Для определения коэффициента несинусоидальности напряжения питающей сети и оценки того, в какой степени нарушается (или не нару­ шается) ГОСТ 13109-87 на качество напряжения (гл. 1, разд. 1.5).

2.Для установления наибольших по своему амплитудному или дей­ ствующему значению гармоник (или гармоники), содержащихся в кон­ кретных точках схемы электроснабжения.

3.Для определения способа борьбы с гармониками напряжения и

тока.

4.Для расчёта и выбора параметров оборудования фильтроком­ пенсирующих устройств на стадии проектирования.

Учитывая, что на калийных предприятиях наибольшее распростра­ нение получили тиристорные преобразователи, выполненные на базе: трёхфазной мостовой полностью управляемой схемы, трёхфазной нуле­ вой и трёхфазной мостовой полууправляемой (три диода и три тиристо­ ра) схем, приведём общие сведения по гармоникам данных нелинейных нагрузок.

При разложении кривой первичного тока, потребляемого из сети трёхфазным мостовым симметричным преобразователем установлено, что в ней содержатся, кроме основной гармоники (п=1) с частотой 50 Гц, вредные высшие гармоники (п>1) следующего порядка: 5-я (250 Гц), 7-я (350 Гц), 11-я (550 Гц), 13-я (650 Гц), 17-я (850 Гц), 19-я (950 Гц) и т.д. У трёхфазного нулевого и трёхфазного мостового полууправляемого (несимметричного) преобразователей, кроме 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т.д. гар­ моник, содержатся дополнительно ещё и следующие гармоники: 2-я (100 Гц), 4-я (200 Гц), 8-я (400 Гц), 10-я (500 Гц), 14-я (700 Гц), 16-я (800 Гц) и т.д.

Как видно из приведённых данных симметричная мостовая схема

выгодно отличается от других схем.

В следующем параграфе отмечается необходимость применения двенадцатипульсных схем выпрямления. Для сравнения отметим, что у такого двухмостового преобразователя в спектре гармоник содержатся: 11-я (550 Гц), 13-я (650 Гц), 23-я (1150 Гц), 25-я (1250 Гц) и т.д. гармони­ ки. Это значительно лучше, чем у одномостовых схем.

Исследования показывают, что при изменении угла открывания ти­ ристоров (т.е. при регулировании выпрямленного напряжения) состав гармоник не изменяется. Если поддерживать при этом постоянным ток нагрузки, то известно следующее:

1.С увеличением угла открывания тиристоров и при постоянном токе нагрузки амплитуды высших гармоник остаются постоянными, а ес­ ли не соблюдать это условие, то уменьшаются.

2.С ростом номера гармоники их амплитуды падают.

3.При увеличении угла коммутации тиристоров и постоянстве тока нагрузки амплитуды высших гармоник уменьшаются, т.к. форма тока улучшается.

4.С увеличением коэффициента трансформации силового транс­ форматора амплитуды высших гармоник снижаются.

При увеличении тока нагрузки амплитуды гармоник первичного тока увеличиваются и наоборот. Спектры гармоник основных схем пре­ образователей показаны на рис. 12.9.

Приведённые сведения позволяют ориентироваться при поиске способа уменьшения амплитуд гармоник или их устранении. Расчётные выражения гармоник с учётом угла коммутации тиристоров приведены в [ 42 ], а при ориентировочных расчётах для кривой переменного тока, имеющей прямоугольно-ступенчатую форму амплитуды гармоник, опре­ деляются по упрощенной формуле Ja=J]/n, где Ji - амплитудное значение (основной гармоники) первичного тока, а п - порядковый номер гармони­ ки.

Резкое уменьшение амплитуд высших гармоник с увеличением их номера позволяет сделать вывод о том, что при компенсации высших гармоник достаточно устранять или уменьшать низшие из них, т.е. это 5, 7,11 и 13 или 2, 4, 5, 7, 8,10 гармоники.

Следует отметить, что гармоники порядка 2, 4, 5, 7, 8, 10 и т.д. мо­ гут появиться у самой распространённой трёхфазной мостовой симмет­ ричной схемы при асимметрии импульсов управления тиристоров, достиг гающей 10 эл. градусов и обусловленной в значительной мере асиммет­ рией синхронизирующих напряжений системы импульсно-фазового управления.

На калийных предприятиях применяются сварочные установки, в которых в качестве источника питания используют полупроводниковые выпрямители. Наиболее распространены на калийных предприятиях сва­ рочные выпрямители серий ТДМ и т.д.

Токи высших гармоник, генерируемые сварочными выпрямителя­ ми, зависят от режимов работы сварочных установок. В зависимости от нагрузки выпрямитель может работать в одном из трёх режимов:

1.Прерывистых токов при малых нагрузках. Этому режиму соот­ ветствует двухвентильная коммутация.

2.Смешанной двух и трёхвентильной коммутации при средних на­

грузках.

3.Трёхвентильной коммутации при больших нагрузках.

Первый режим не является характерным. Второй режим имеет ме­ сто при коэффициенте К, равном отношению противо-э.Д.с. дуги Ei к на­ пряжению на выпрямительном мосте Um: 1,43 < К < 1,52.

Рис. 12.9. Кривые потребляемого из питающей сети тока и их спектр гармоник

ДЛЯ различных схем выпрямления: а). Трёхфазного мостового выпрямителя с трансформатором по схемеY/Y; б).Тоже, но по схеме&/Y; в). Двенадцатипульсногопреобразователя

Кривые относительных величин высших гармоник тока сварочных выпрямителей для второго режима представлены на рис. 12.10, из кото­ рого видно, что токи 5-й и 7-й гармоник имеют нестабильный характер. Незначительные изменения условий горения дуги могут привести к уве­ личению или уменьшению токов 5-й и 7-й гармоник в несколько раз [31].

Для выпрямителей с пологопадающими внешними характеристи­ ками третий режим имеет место при 1Д>(0,6-0,65) 1Д,К.. Для выпрямителей с крутопадающими характеристиками этот режим наступает при 1д > (ОДОД) 1д.к.. Здесь 1Д, 1ДКток дуги (выпрямленный ток) соответственно в ра­ бочем режиме и при КЗ. При инженерных расчётах значения амплитуд гармоник порядков n=6k+l для третьего режима определяют по формуле

j= А

"г г

Уровень высших гармоник тока в 3-м режиме значительно ниже, чем в режиме 2.

При работе сварочные выпрямители генерируют анормальные гар­ моники. Основная причина их появления заключается в асимметрии уг­ лов отпирания тиристоров из-за нестабильности характеристик СИФУ и тиристоров, а также из-за подмагничивающего действия магнитопровода трансформатора.

К настоящему времени на предприятиях получили распространение машины контактной электросварки, включение которых производят с помощью тиристорных контакторов (встречно-параллельных тиристоров, включенных последовательно в цепь первичной обмотки трансформато­ ра).

Для плавного регулирования сварочного тока тиристорные контак­ торы снабжены системой фазового регулирования. Это и приводит к ис­ кажению формы тока, потребляемого сварочными установками.

Для таких установок действующие значения токов гармоник нечёт­ ных порядков определяют по формуле

j _^пасп^Ъа

п.Р п U„

где Snacn - паспортная мощность сварочной установки; к3 - коэффициент загрузки; а - коэффициент запаса, равный для первой гармоники 0,97; для третьей 2,0; для пятой 2,3; для седьмой 1,4; UH0Mноминальное напряже­ ние сварочной установки.

Определяющими гармониками при разложении тока сварочной ус­ тановки в ряд Фурье являются 1-я, 3-я, 5-я. Результаты экспериментов представлены в табл. 12.1, из которой видно, что в спектре токов устано­ вок контактной электросварки кроме нечётных присутствуют также чёт­ ные гармоники. Появление чётных гармоник объясняется разбросом уг-

лов регулирования тиристоров (до 10°). Влияние чётных гармоник на несинусоидальность токов сварочных установок невелико.

Следует отметить, что любые сварочные установки наряду с гене­ рацией гармоник дают нерегулярные колебания нагрузки, которые чаще носят случайный характер.

Степень искажения формы питающего напряжения может быть оценена по спектральному составу кривой коммутационных искажений (рис. 12.4), который имеет обычно те же гармоники, что и в первичном токе преобразователя.

Для расчёта высших гармоник напряжения, вызванных вентильной нагрузкой, существуют приближённые зависимости, удобные в инженер­ ной практике. Действующее значение высших гармоник на зажимах пре­ образователя подсчитывают по формуле

^п./юм^В I

где Боном. - номинальная мощность преобразовательного трансформатора; SK.,. - мощность КЗ на шинах высшего напряжения преобразователь­ ного трансформатора; ик напряжение КЗ преобразовательного транс­

форматора; р - число фаз выпрямления.

Отсюда нетрудно определить соотношение между мощностью Sn.HoM и SKз системы, чтобы искажения напряжения не превышали допустимых значений:

S.., 1 2п

Для определения коэффициента несинусоидальности напряжения на шинах напряжением 6-10 кВ преобразовательной подстанции при ра­ боте одного выпрямительного агрегата можно использовать упрощённую формулу

где кз - коэффициент загрузки преобразовательного трансформатора; км - коэффициент мощности выпрямительного агрегата; кр коэффициент расщепления обмоток преобразовательного трансформатора.

Когда к шинам напряжением 6-10 кВ подключено п преобразова­ тельных агрегатов, практический интерес представляет расчёт к„с по формуле

При отсутствии данных можно приблизительно оценить мощность к.з. системы, исходя из того, что э.д.с. короткого замыкания питающих систему трансформаторов находится в пределах 10-17 %, а сверхпере­ ходный реактанц синхронных машин обычно равен 20-25 %:

SK.3«(6-10) STP+ (4-5) SC.M,

где STP и SC.M - суммарные установленные мощности питающих транс­ форматоров и синхронных машин.

12.4. Пути решения проблем негативного влияния нелинейных потребителей на питающую сеть

Проблемы, вызванные потреблением нелинейными нагрузками (тиристорными преобразователями и приводами) реактивной мощности и генерацией ими в сеть высших гармоник взаимоувязаны (через коэффи­ циент искажения) и пути их решения будем рассматривать совместно.

Прежде всего отметим, что наиболее оптимальным с экономиче­ ской точки зрения, на наш взгляд, является комплексный подход к реше­ нию проблем, который предусматривает одновременное движение по следующим направлениям: