Реактивна енергія і коефіцієнт потужності

Присутність гармонік викликає спотворення (нормально синусоїдальної) форми хвилі напруги або струму; чим вищий вміст гармонік, тим більше ступінь спотворення. Якщо власна резонансна частота комбінації «блок конденсаторів / реактивний опір енергосистеми» близька до частоти конкретної гармоніки, виникає частковий резонанс з підвищеними значеннями напруги і струму при частоті гармоніки. В даному випадку підвищений струм викличе перегрів конденсатора з поступовим погіршенням діелектрика, яке призводить до виходу з ладу. Є кілька рішень цих проблем із застосуванням таких засобів:- паралельно приєднаний фільтр і / або реактори для придушення гармонік або

- Активні силові фільтри або

- Гібридні фільтри

 

 

1.5.2Можливі рішення

Пасивний  фільтр. Присутність гармонік в напрузі приводить до ненормально високих рівнів струму через конденсатори. Поправка на це робиться при розрахунку з урахуванням середньоквадратичного значення струму, яке в 1,3 рази більше номінального струму. Всі послідовні елементи, такі як сполуки, плавкі запобіжники, перемикачі і т.д., пов'язані з конденсаторами, розраховуються з аналогічним збільшенням (в 1,3-1,5 рази більше номінального значення).

Спотворення гармоніками форми хвилі напруги  часто виражається в появі  «піків» і збільшенні амплітуди  нормальної синусоїдальної хвилі. Така можливість разом з іншими умовами перенапруги, які можуть виникати при протидії резонансним ефектам, як описується нижче, враховуються шляхом збільшення рівня ізоляції вище рівня ізоляції «стандартних» конденсаторів. У багатьох випадках ці два заходи достатні для забезпечення задовільної роботи.

Конденсатори є лінійними реактивними  пристроями і, як наслідок, не генерують  гармонік. Однак, установка конденсаторів  в енергосистемі (у якій опори є переважно індуктивними) може призводити до сумарного або часткового резонансу при одній з гармонійних частот. Порядок гармоніки h₀ найменшої резонансної частоти між індуктивністю системи і блоком конденсаторів визначається за формулою

 

де

S_sc = рівень потужності (кВА) КЗ системи в точці з'єднання конденсатора

Q = номінальне значення потужності  блоку конденсаторів в квар; і  h₀= порядок гармоніки найменшою резонансної частоти f₀, тобто f₀/50 для системи 50 Гц або f₀/60 для системи 60 Гц. Наприклад,  
  може бути давати значення 2,93, яке показує, що найменша частота резонансу комбінації «конденсатор / індуктивність системи» близька до частоти гармоніки 3-го порядку системи.

Зі  співвідношення h₀ = f₀/50 випливає, що f₀ = 50 h₀ = 50 x 2,93 = 146,5 Гц.

Чим ближче власна частота резонансу  наближається до частоти однієї з  гармонік, присутньої в системі, тим більше (небажаний) ефект. У наведеному вище прикладі з великою ймовірністю виникнуть умови резонансу з гармонійної складової 3-го порядку спотвореної хвилі. У таких випадках необхідно вжити заходів для зміни власної частоти резонансу на значення, при якому не буде резонансу з якою-небудь присутньою гармонікою. Це досягається шляхом приєднання послідовно з конденсатором котушки індуктивності для нейтралізації гармонік. В системах 50 Гц такі реактори часто настроюються на доведення власної частоти резонансу комбінації, тобто, блок конденсаторів + реактори, до 190 Гц. Реактори налаштовуються на 228 Гц для системи 60 Гц. Такі частоти відповідають значенням h₀=3,8 для системи 50 Гц, тобто, приблизно посередині між гармоніками 3-го і 5-го порядку. У такій схемі присутність реактора збільшує струм основної частоти (50 Гц або 60 Гц) на невелику величину (7-8%), а також напруга через конденсатор в тому ж співвідношенні. Ця характеристика враховується, наприклад, при використанні конденсаторів, розрахованих на 440В для систем 400В.

Активний  фільтр. Активні фільтри засновані на використанні силової електроніки. Як правило, вони встановлюються паралельно з нелінійним навантаженням. Активні фільтри аналізують гармоніки, що вводяться навантаженням, і потім подають струм такої ж гармоніки на навантаження з відповідною фазою. В результаті гармонійні струми повністю нейтралізуються. Це означає, що вони не можуть більше проходити до джерела живлення і більше не видаються джерелом. Основна перевага активних фільтрів полягає в тому, що вони гарантують ефективну компенсацію гармонік навіть при зміні установки. Вони виключно прості у використанні в силу наступних характеристик:

• Автоматичне налаштування конфігурації під гармонійні навантаження незалежно від порядку гармонік

- Усунення ризиків перевантаження

- Сумісність з електрогенераторами

- Підключення в будь-якій точці  електричної мережі

- Кілька фільтрів можуть використовуватися в одній і тій же установці для підвищення ефективності усунення гармонік (наприклад, у випадку встановлення нової машини)

Крім  того, активні фільтри можуть також  забезпечити компенсацію коефіцієнта потужності.

1.6.Основні показники якості електроенергії

1.6.1.Основні показники гармонійних спотворень і принципи вимірювань

Для кількісного виміру та оцінки гармонійних  спотворень форм струмів і напруг використовуються кілька показників, зокрема:

- Коефіцієнт потужності

- Пік-фактор або коефіцієнт амплітуди

- Потужність нелінійних спотворень

- Гармонійний спектр

- Величини гармонійних спотворень

Ці  показники слід використовувати при визначенні будь-якої необхідної коригуючої дії.

1.6.2.Коефіцієнт потужності

Коефіцієнт  потужності (PF) являє собою співвідношення між активної потужністю (P) і повною потужністю (S).

PF = PS Його часто плутають з параметром:

cos φ = P1/S1

де P1 = активна потужність струму основної частоти ; S1 = повна потужність струму основної частоти φ Параметр cos φ  відноситься тільки до основної мережної частоти і тому відрізняється від коефіцієнта потужності PF, який враховує наявність в електроустановці гармонік. Інтерпретація коефіцієнта потужності: першою ознакою наявності в електроустановці значної кількості гармонік є те, що заміряний коефіцієнт потужності PF відрізняється (менше) від заміряної величини cos φ.

1.6.3.Пік-фактор

Пік-фактор або коефіцієнт амплітуди - це відношення величини амплітуди струму або напруги (I_m або U_m) до його чинного значення.

- Для синусоїдального сигналу  пік-фактор дорівнює відповідно 2.

- Для несинусоїдального сигналу  пік-фактор може бути чи більше  або менше 2.

В останньому випадку такі значення пік-фактора  свідчать про відмінність форми кривої напруги від синусоїдальної, тобто про наявність спотворень.

Інтерпретація пік-фактора: для струму, споживаного  нелінійними навантаженнями, величина пік-фактора значно перевищує 2. Зазвичай вона становить від 1,5 до 2, але в критичних випадках може навіть досягати 5. Велика величина пік-фактора свідчить про наявність великих перехідних надструмів, здатних викликати помилкові спрацьовування захисних пристроїв.

1.6.4.Параметри потужності і гармоніки

Активна потужність (P) сигналу, що містить гармоніки, є сумою активних потужностей окремих гармонік струму і напруги одного і того ж порядку. Реактивна потужність визначається виключно для основної частоти, тобто

 

Потужність  спотворень. При наявності гармонік потужність спотворень D визначається як, де S-повна потужність.

1.6.5.Гармонійний спектр і гармонійні спотворення

Кожен тип пристрою, що породжує гармоніки, споживає струм гармоніки певної форми (певної амплітуди і фазового зсуву). Ці параметри, особливо амплітуда кожної гармоніки, мають істотне значення для аналізу. Спотворення, що вноситься окремою гармонікою (або гармонійне спотворення h-ого порядку). Спотворення, що вноситься окремої гармонікою, визначається процентним співвідношенням амплітуд гармонік h-ого порядку і сигналу основної частоти (коефіцієнт n-ой гармоніки (див. ГОСТ 13109_97)).

 

 

 

Гармонійний спектр відображає амплітуду кожної гармоніки в функції її частоти, називається спектром гармонік.

На  Рис.5 представлений приклад спектра  гармонік прямокутного сигналу.

Рис.1.5. Приклад спектра гармонік

Діюче значення струму і напруги може бути розраховане у функції діючого  значення гармонік різних порядків.

  і

1.6.6.Сумарний коефіцієнт гармонійних спотворень (THD)

Термін  «сумарний коефіцієнт гармонійних  спотворень» THD (коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги (див. ГОСТ 13109_97)) широко застосовується при визначенні рівня вмісту гармонік в знакозмінних сигналах.

Визначення THD. Для сигналу y коефіцієнт THD визначається як:

 

Це  узгоджується з визначенням, наведеним  у стандарті IEC 61000_2_2.

Зазначимо, що це значення може перевищувати 1. Відповідно до зазначеного стандарту, параметр h можна обмежити числом 50. Коефіцієнт THD дозволяє одним числом показати ступінь  спотворень, що впливають на струм  або напругу в будь-якому місці електроустановки. Зазвичай THD виражається у відсотках.

1.6.7.Сумарний коефіцієнт спотворень по струму або напрузі

Для гармонік струму ця формула має  вигляд:

 

 

Нижче представлена ​​еквівалентна формула, яка є більш наочною і зручною в застосуванні, якщо відомо повне діюче значення:

 

 

 

Для гармонік напруги формула має  вигляд:

 

 

Зв'язок між коефіцієнтом потужності і THD. Коефіцієнт THD, відображаючий одним значенням ступінь спотворення форми струму або напруги э важливим показником. Спектр відображає окремі гармоніки, які впливають на спотворений сигнал (коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги (див. ГОСТ 13109_97)).

 отже: так як: звідси:

На Рис. 6 представлений графік залежності від THDI.

Рис.1.6. графік залежності від THDI

1.7.Використання різних показників

Показник THDi характеризує спотворення  форми напруги.  Нижче наведено кілька значень THDi і відповідні їм явища, що відбуваються в електроустановці.

- THDi <5% _ нормальна ситуація, відсутність  збоїв в роботі обладнання 

- 5-8% - значне забруднення мережі  гармоніками, можливі деякі збої  в роботі 

-> 8%-великий ступінь забруднення  мережі гармоніками, можливі збої  в роботі устаткування. Потрібно  проведення ретельного аналізу  і установка компенсуючих пристроїв.

Показник THDi характеризує спотворення форми  струму. Пристрій, вносячи-ний гармонійні обурення, виявляється за допомогою  замірів THDi на входах і виходах різних ланцюгів і відповідно відстеження  шляхів протікання гармонік. Нижче наведено кілька значень THDi і відповідні їм явища, що відбуваються в електроустановці:

- THDi <10% - нормальна ситуація, відсутність  збоїв в роботі обладнання

- 10-50% - значне забруднення мережі  гармоніками з небезпекою підвищення температури і зумовленою цим необхідністю переходу на кабелі більшого перерізу і потужніші джерела живлення

- > 50% - великий ступінь забруднення  мережі гармоніками, можливі збої  в роботі устаткування. Потрібно  проведення ретельного аналізу  і установка компенсуючих пристроїв. 

Коефіцієнт  потужності використовується для того, щоб оцінити: наскільки необхідно  підвищити потужність джерела живлення розглянутої електроустановки.

Пік-фактор (коефіцієнт амплітуди) використовується для оцінки здатності генератора (або джерела безперебійного живлення) забезпечувати миттєві струми великої величини. Наприклад, комп'ютерне обладнання споживає струм з сильно спотвореною формою хвилі, для якого пік-фактор може досягати значень 3-5. Спектр (розкладання сигналу на окремі гармоніки) дає інше уявлення електричних сигналів і може використовуватися для оцінки

ступеня їх спотворення.