Отправить статью по E-mail Исследование качества электроэнергии в электрических сетях с полупроводниковыми преобразователями
- Авторы: Антонов А.И.1, Руди Д.Ю.1, Хацевский К.В.1
-
Учреждения:
- Омский институт водного транспорта (филиал), Сибирский государственный университет водного транспорта
- Выпуск: Том 19, № 1 (2023)
- Страницы: 123-130
- Раздел: ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
- URL: https://ogarev-online.ru/1816-9228/article/view/253709
- DOI: https://doi.org/10.18822/byusu202301123-130
- ID: 253709
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Актуальность исследования: в настоящее время широкое применение в области электроэнергетики нашли полупроводниковые преобразователи [6]. Одним из самых распространённых полупроводниковых преобразователей является частотный преобразователь, так как он обеспечивает получение трёхфазного напряжения с регулируемой частотой из трёхфазного напряжения сети. Однако он, равно как и другие полупроводниковые преобразователи, является причиной появления гармоник и, как следствие, несинусоидальной формы кривой напряжений [1]. Гармоники являются причиной таких негативных воздействий в электрической сети, как сопутствующий нагрев обмоток двигателей, трансформаторов и т.д., ложные срабатывания в распределительных сетях, асимметрия в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе, возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС, а также при появлении гармоник есть потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях [3]. Поэтому исследование гармонических составляющих напряжения является актуальной задачей.
Предмет исследования: процессы, протекающие в электрических сетях с частотным преобразователем.
Цель исследования: выявить наличие гармонических составляющих напряжения в электрических сетях с частотным преобразователем.
Объект исследования: исследовательский стенд, имитирующий работу электрических сетей с частотным преобразователем.
Методы исследования: в процессе выполнения исследований применялись научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, метод аналитических исследований, методы системного анализа. Экспериментальные исследования выполнялись комплексным методом с использованием прибора «Ресурс-ПКЭ».
Результаты исследования: на основе проведённых исследований показано, что частотный преобразователь является источником гармонических составляющий напряжений, при этом гармоники появляются только в определённых участках электрической цепи.
Полный текст
Введение
Поскольку частотные преобразователи, хоть и являются источниками гармоник, нашли широкое применение в системах управления электроприводом, полностью отказаться от них не представляется возможным [2]. Поэтому имеет существенное значение исследование электрической сети, где находится данный преобразователь, на наличие гармоник. Эти исследования необходимы для того, чтобы знать, какие технические решения нужно предпринять в том или ином случае для защиты от гармоник, и нужно ли их предпринимать вообще.
Исследования проводились на лабораторном стенде (рис. 1), содержащем модуль питания, модуль преобразователя частоты, служащий для управления асинхронным трёхфазным двигателем с короткозамкнутым ротором и силовой модуль, содержащий асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Схема исследования приведена на рисунке 2.
Рисунок 1 – Лабораторный стенд с преобразователем частоты
Рисунок 2 – Схематичное представление электрической сети с преобразователем частоты
В качестве средства измерения гармонических составляющих напряжения на объекте исследования использовался прибор-анализатор качества электрической энергии «Ресурс-ПКЭ» модификации «Ресурс-ПКЭ-1.7-ои-А» (рис. 3), предназначенный для автоматических измерений показателей КЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 30804.4.30-2013 для оценки соответствия значений показателей КЭ установленным нормам согласно ГОСТ 32144-2013 [4]. Прибор является сертифицированным оборудованием и имеет свидетельство о поверке №19-0320 [2].
Рисунок 3 – Передняя панель прибора «Ресурс-ПКЭ»
С помощью прибора «Ресурс-ПКЭ» в данном случае измеряются значения суммарных гармонических составляющих напряжения (KU) и коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения (KU(n)). С помощью персонального компьютера, подключенного к Ресурсу-ПКЭ через интерфейс RS-232, визуализируются все полученные результаты измерений.
Результаты и обсуждение
Для измерения показателей качества электрической энергии использовались две точки подключения «Ресурса-ПКЭ»: точка подключения 1 использовалась для подключения прибора на входе преобразователя частоты, а точка подключения 2 – на его выходе.
Результаты мониторинга основных показателей качества электрической энергии при подключении прибора к точке 1 представлены на рисунке 4. Из результатов видно, что ни один из показателей качества электрической энергии, включая суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжений и коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения, не выходят за нормируемые значения, установленные ГОСТ 32144-2013 [4]. То есть на участке электрической сети от источника питания до преобразователя частоты значения гармонических составляющих напряжения не превышают нормативных значений согласно [4].
Рисунок 4 – Результаты мониторинга основных показателей качества электрической энергии в точке подключения 1
Однако в точке подключения 2 результаты совершенно иные (рис. 5). Из рисунка 5 видно, что значения суммарных коэффициентов гармонических составляющий напряжения превышают нормируемые значения в несколько раз. Для сравнительного анализа результатов измерений KU, значения измерений данного показателя качества электрической энергии на входе преобразователя частоты (точка подключения 1) и на его выходе (точка подключения 2) сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Результаты измерения суммарного коэффициентагармонических составляющих напряжения
Место измерений | Значение KU на фазе А, % | Значение KU на фазе В, % | Значение KU на фазе С, % |
На входе преобразователя частоты (точка подключения 1) | 2,26 | 2,34 | 2,44 |
На выходе преобразователя частоты (точка подключения 2) | 32,70 | 31,34 | 31,70 |
Рисунок 5 – Результаты мониторинга основных показателей качества электрической энергии в точке подключения 2
Та же картина обнаружилась и для коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения (табл. 2). На всех фазах значения KU(n) для большинства гармоник превышают нормированные значения, установленные ГОСТ 32144-2013. Данные значения KU(n) представлены в таблице 2 жирным шрифтом.
Таблица 2
Данные коэффициента n-й гармонической составляющей напряженияна выходе преобразователя частоты
№ гармоники | Значение KU(n) на фазе А, % | Значение KU(n) на фазе В, % | Значение KU(n) на фазе С, % |
2 | 2,71 | 0,85 | 1,93 |
3 | 3,08 | 2,86 | 2,75 |
4 | 5,85 | 4,61 | 5,44 |
5 | 0,21 | 0,43 | 0,06 |
6 | 1,30 | 0,96 | 1,20 |
7 | 0,24 | 0,10 | 0,27 |
8 | 0,17 | 0,18 | 0,09 |
9 | 0,93 | 0,73 | 0,82 |
10 | 2,41 | 2,84 | 2,73 |
11 | 0,25 | 0,20 | 0,39 |
12 | 7,05 | 6,74 | 6,77 |
13 | 0,11 | 0,34 | 0,20 |
14 | 1,94 | 1,96 | 1,92 |
15 | 0,99 | 0,21 | 0,78 |
16 | 3,31 | 2,72 | 2,99 |
17 | 0,51 | 0,55 | 0,39 |
18 | 0,79 | 0,95 | 0,77 |
19 | 0,46 | 0,35 | 0,53 |
20 | 0,40 | 0,41 | 0,35 |
21 | 1,23 | 0,58 | 1,27 |
22 | 0,44 | 0,52 | 0,23 |
23 | 1,10 | 0,83 | 1,03 |
24 | 0,04 | 0,17 | 0,16 |
25 | 3,55 | 3,75 | 3,48 |
26 | 0,25 | 0,24 | 0,12 |
27 | 1,84 | 3,05 | 2,18 |
28 | 0,75 | 0,55 | 0,70 |
29 | 0,22 | 0,73 | 0,42 |
30 | 0,36 | 0,14 | 0,26 |
31 | 4,62 | 4,22 | 4,35 |
32 | 0,23 | 0,14 | 0,18 |
33 | 4,11 | 3,41 | 4,07 |
34 | 2,40 | 2,37 | 2,34 |
35 | 0,49 | 0,23 | 0,26 |
36 | 9,63 | 9,78 | 9,53 |
37 | 1,37 | 0,71 | 1,43 |
38 | 24,50 | 23,73 | 23,75 |
39 | 4,15 | 1,49 | 3,29 |
40 | 12,92 | 12,76 | 12,69 |
То есть на участке исследуемой электрической сети от преобразователя частоты до асинхронного трёхфазного электродвигателя значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения и коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения не соответствуют нормативным значениям, установленным [4]. Следовательно, на данном участке электрической сети качество электрической энергии по данным показателям не соответствует установленным нормам.
Заключение и выводы
Резюмируя всё вышесказанное, можно сделать следующие выводы:
- Преобразователь частоты, как и любой другой полупроводниковый преобразователь, является источником гармонических составляющий напряжения.
- На выходе преобразователя частоты значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения и коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения не соответствуют нормативным значениям, установленным ГОСТ 32144-2013.
- На входе преобразователя частоты качество электрической энергии по таким показателям качества, как суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения и коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения, соответствуют установленным нормам.
Объяснить соответствие суммарного коэффициенты гармонических составляющих напряжения и коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения установленным нормам можно тем, что для уменьшения неблагоприятного влияния гармонических искажений, создаваемых преобразователем частоты в процессе работы, на электросеть в самом преобразователе частоты используется фильтрация в виде LC-фильтра звена постоянного тока (ЭМС-фильтр) [5]. ЭМС-фильтры обеспечивают соблюдение норм по электромагнитной совместимости технических средств и защищают от токов утечки, вызванных емкостью проводников [6]. В совокупности с экранированным кабелем двигателя достигается нормальная работа техники.
Об авторах
Александр Игоревич Антонов
Омский институт водного транспорта (филиал), Сибирский государственный университет водного транспорта
Автор, ответственный за переписку.
Email: aleksandr_antonov_85@mail.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрооборудования
Россия, ОмскДмитрий Юрьевич Руди
Омский институт водного транспорта (филиал), Сибирский государственный университет водного транспорта
Email: aleksandr_antonov_85@mail.ru
старший преподаватель кафедры электротехники и электрооборудования
Россия, ОмскКонстантин Владимирович Хацевский
Омский институт водного транспорта (филиал), Сибирский государственный университет водного транспорта
Email: aleksandr_antonov_85@mail.ru
доктор технических наук, профессор кафедры электротехники и электрооборудования
Россия, ОмскСписок литературы
- Акимов, М. Н. Основы электромагнитной безопасности : учеб. пособие / М. Н. Акимов, С. М. Аполлонский. – Санкт-Петербург : Лань, 2017. – 200 с. – Текст : непосредственный.
- Антонов, А. И. Повышение качества функционирования электрических сетей на основе компьютерного моделирования несимметричных режимов: дис. … канд. техн. наук: 05.14.02 / А. И. Антонов. – Новосибирск, 2020. – 187 с. – Текст : непосредственный.
- Денчик, Ю. М. Электромагнитная совместимость технических средств в прмерах и задачах: учеб. пособие / Ю. М. Денчик, В. И. Клеутин, А. А. Руппель. – Омск : ОИВТ, 2017. – 128 с. – Текст : непосредственный.
- ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: межгосударственный стандарт: утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 июля 2013 г. № 400-ст. : дата введения 2014-07-01. – Москва : Стандартинформ, 2014. – 16 с. – Текст: непосредственный.
- Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин / И. П. Копылов. – М. : Высшая школа. – 1994. – 318 с. – Текст : непосредственный.
- Копылов, И. П. Электрические машины / И. П. Копылов. – M. : Энергатомиздат. – 1986. – 457 с. – Текст : непосредственный.
Дополнительные файлы
