что такое компенсатор напряжения
Синхронные компенсаторы в электрических сетях
Синхронным компенсатором называется синхронный двигатель облегчённой конструкции, предназначенный для работы на холостом ходу.
Основные потребители электрической энергии, кроме активной мощности, потребляют от генераторов системы реактивную мощность. К числу потребителей, требующих большие намагничивающие реактивные токи для создания и поддержания магнитного потока, относятся асинхронные двигатели, трансформаторы, индукционные печи и другие. В связи с этим распределительные сети обычно работают с отстающим током.
Реактивная мощность, вырабатываемая генератором, получается с наименьшими затратами. Однако передача реактивной мощности от генераторов связана с дополнительными потерями в трансформаторах и линиях передач. Поэтому для получения реактивной мощности становится экономически выгодным применение синхронных компенсаторов, располагаемых на узловых подстанциях системы или непосредственно у потребителей.
Синхронные двигатели благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cos = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.
Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок.
В перевозбужденном режиме ток опережает напряжение сети, т. е. является по отношению к этому напряжению емкостным, а в недовозбужденных — отстающим, индуктивным. В таком режиме синхронная машина превращается в компенсатор — в генератор реактивного тока.
Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.
Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу.
Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным.
Для того чтобы улучшить коэффициент мощности и соответственно уменьшить угол сдвига между током и напряжением от значения φсв до φк нужна реактивная мощность:
где Р — средняя активная мощность, квар; φсв — сдвиг фаз, соответствующий средневзвешенному коэффициенту мощности; φк — сдвиг фаз, который должен быть получен после компенсации; а — коэффициент, равный около 0,9, вводимый в расчеты с целью учета возможного повышения коэффициента мощности, без установки компенсирующих устройств.
Помимо компенсации реактивных токов индуктивных промышленных нагрузок, синхронные компенсаторы необходимы на ЛЭП. В длинных ЛЭП при малых нагрузках преобладает емкость линии, и они работают с опережающим током. Для того чтобы компенсировать этот ток, синхронный компенсатор должен работать с отстающим током, т. е. недовозбужденным.
При значительной нагрузке ЛЭП, когда преобладает индуктивность потребителей электроэнергии, ЛЭП работает с отстающим током. В этом случае синхронный компенсатор должен работать с опережающим током, т. е. перевозбужденным.
Изменение нагрузки на ЛЭП вызывает изменение потоков реактивных мощностей по величине и фазе, приводит к значительным колебаниям напряжения в линии. В связи с этим возникает необходимость его регулирования.
Синхронные компенсаторы обычно устанавливают на районных подстанциях.
Для регулирования напряжения в конце или середине транзитных ЛЭП могут быть созданы промежуточные подстанции с синхронными компенсаторами, которые должны регулировать либо поддерживать напряжение неизменным.
Работа таких синхронных компенсаторов автоматизируется, в связи с чем создается возможность плавного автоматического регулирования величины вырабатываемой реактивной мощности и напряжения.
Для осуществления асинхронного пуска все синхронные компенсаторы снабжаются пусковыми обмотками в полюсных наконечниках или их полюсы делаются массивными. При этом используется способ прямого, а в необходимых случаях — способ реакторного пуска.
В некоторых случаях мощные компенсаторы пускаются в ход также с помощью пусковых фазных асинхронных двигателей, укрепляемых с ними на одном валу. Для синхронизации с сетью при этом обычно используется метод самосинхронизации.
Так как синхронные компенсаторы не развивают активной мощности, то вопрос о статической устойчивости работы для них теряет остроту. Поэтому они изготовляются с меньшим воздушным зазором, чем генераторы и двигатели, Уменьшение зазора позволяет облегчить обмотку возбуждения и удешевить машину.
Номинальная полная мощность синхронного компенсатора соответствует его работе с перевозбуждением, т.е. номинальной мощностью синхронного компенсатора считается его реактивная мощность при опережающем токе, которую он может длительно нести в рабочем режиме.
Наибольшие значения тока и мощности в недовозбужденном режиме получаются при работе в реактивном режиме.
В большинстве случаев в недовозбужденном режиме требуются меньшие мощности, чем в перевозбужденном, но в некоторых случаях необходима большая мощность. Этого можно достигнуть увеличением зазора, однако это приводит к удорожанию машины, и поэтому в последнее время ставится вопрос об использовании режима с отрицательным током возбуждения. Поскольку синхронный компенсатор по активной мощности загружен только потерями, то, согласно он может работать устойчиво также с небольшим отрицательным возбуждением.
В ряде случаев в маловодные периоды для работы в режиме компенсаторов используются также генераторы гидроэлектростанций.
В конструктивном отношении компенсаторы принципиально не отличаются от синхронных генераторов. Они имеют такую же магнитную систему, систему возбуждения, охлаждения и др. Все синхронные компенсаторы средней мощности имеют воздушное охлаждение и выполняются с возбудителем и подвозбудителем.
В связи с тем, что синхронные компенсаторы не предназначены для выполнения механической работы и не несут активной нагрузки на валу, они имеют механически облегченную конструкцию. Компенсаторы выполняются как сравнительно тихоходные машины (1000 — 600 об/мин) с горизонтальным валом и явнополюсным ротором.
В качестве синхронного компенсатора может быть использован генератор, работающий вхолостую при соответствующем возбуждении. В перевозбужденном генераторе появляется уравнительный ток, являющийся чисто индуктивным относительно напряжения генератора и чисто емкостным относительно сети.
Следует иметь в виду, что перевозбужденная синхронная машина независимо от того, работает ли она генератором или двигателем, может рассматриваться относительно сети как емкость, а недовозбужденная — как индуктивность.
Для того чтобы перевести генератор, включенный в сеть, в режим синхронного компенсатора, достаточно закрыть доступ пара (или воды) в турбину. В таком режиме перевозбужденный турбогенератор начинает потреблять небольшую активную мощность из сети только для покрытия потерь вращения (механических и электрических) и отдает реактивную мощность в сеть.
В режиме синхронного компенсатора генератор может работать длительное время и зависит лишь от условий работы турбины.
При необходимости турбогенератор может быть использован в качестве синхронного компенсатора как при вращающейся турбине (вместе с турбиной), так и при отсоединенной, т. е. при разобранной муфте сочленения.
Вращение паровой турбины со стороны генератора, перешедшего в двигательный режим, может вызвать перегрев хвостовой части турбины.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Устройства защиты от провалов напряжения
Рассмотрим различные системы, защищающие промышленное производство от провалов напряжения (маховик, статический источник бесперебойного питания (ИБП), динамический компенсатор искажений напряжения, статический компенсатор (СТАТКОМ), параллельно соединенный СД, повышающий преобразователь, активный фильтр и бестрансформаторный последовательный усилитель).
При решении вопроса об установке защитного оборудования должен быть проведен технико-экономический расчет, показывающий обоснованность установки ИБП для того или иного производственного процесса.
Проблема защиты электродвигателей с различными скоростями в промышленном производстве от провалов напряжения на данный момент решена. Из-за широкого разнообразия торговых марок таких систем найти оптимальное технико-экономическое решение этой проблемы не очень просто.
Типы корректирующего оборудования
Маховик вместе с двигатель-генератором (Д-Г) может защитить критические процессы нарушения производства от всех падений напряжения в энергосистеме С. Когда происходят падения напряжения, то снижение напряжения у нагрузки замедляется маховиком. Различные схемы соединения маховика с двигатель-генератором похожи на ту, которая изображена на 1.
Рис. 1. Схема использования маховика для компенсации провалов напряжения
Основные компоненты независимого статического ИБП представлены на рис. 2, батареи (конденсаторы) которого запасают энергию только на защиту от провалов напряжения на короткое время. Если произошел провал напряжения, нагрузка питается от батареи через преобразователь напряжения постоянного — переменного тока.
Рис. 2. Схема использования ИБП для компенсации провалов напряжения
Динамический компенсатор искажений напряжения в течение провала напряжения остается подсоединенным к электрической сети 1 через трансформатор 2 и определяет отсутствующую часть напряжения (рис. 3). Он добавляет эту отсутствующую часть напряжения через первичную 4 и вторичную 3 обмотки автотрансформатора, соединенного последовательно с нагрузкой 7. В зависимости от назначения энергия для питания нагрузки 7 через преобразователь напряжения 5 в течение провала напряжения может забираться из сети или от дополнительного источника энергии (в основном от конденсаторов в).
Рассмотрим две модификации различных производителей. Первая (далее ДКИН-1) не содержит источников энергии и постоянно подключена. Этот вариант экономически целесообразен для повышения напряжения до 50 %. Существует модификация устройства ДКИН со способностью к подъему напряжения на 30 %. Считается, что начиная с этой модификации устройства ДКИН (30 %) целесообразно их применение в производстве.
Рис. 3. Схема использования ДКИН для компенсации провалов напряжения
Вторая модификация (ДКИН-2) содержит источник энергии, рассчитанный на большую нагрузку. Двухмегаваттное устройство способно поднять напряжение нагрузки мощностью 4 МВт на 50 % или мощностью 8 МВт на 23 %. В отличие от большинства других устройств, мощность источника энергии способна выдержать длительные провалы.
Статический компенсатор (СТАТКОМ) — это устройство компенсации провалов напряжения, подсоединенное параллельно нагрузке (рис. 4). Устройство СТАТКОМ может снижать провалы напряжения путем изменения реактивной нагрузки в узле подключения.
Способность снижать провалы может быть расширена путем добавления дополнительного источника энергии, такого как сверхпроводящий магнитный источник энергии. Хотя компенсаторы СТАТКОМ (рис. 4) способны поглощать и возвращать реактивную мощность Q статком их применение обычно ограничивается статической компенсацией по причинам экономического характера.
Система СТАТКОМ в режиме снижения напряжения переходит в режим постоянного источника тока. Напряжение на выводах конденсатора может поддерживаться постоянным.
Рис. 4. Статический компенсатор
Параллельно подсоединенный синхронный двигатель (СД) несколько напоминает СТАТКОМ, но не содержит силовой электроники (рис. 5). Способность синхронного двигателя обеспечить большую реактивную нагрузку позволяет такой системе восполнять провалы напряжения глубиной до 60 % на протяжении 6 с. Вместе с этим маленький маховик защищает нагрузку против полного отключения электроэнергии на время 100 мс.
Рис. 5. Параллельно подсоединенный СД и маховик: 1 — энергосистема; 2 — трансформатор; 3 — выключатель
Повышающий конвертор — это преобразователь постоянного тока, повышающий напряжение шин постоянного напряжения (например, двигателя переменной частоты) до номинального уровня (рис. 6).
Наибольший провал напряжения, который может быть компенсирован, зависит от номинального тока повышающего конвертора. Повышающий конвертор начинает работать, как только провал напряжения будет зафиксирован на шинах постоянного тока прибора. Наряду со способностью обеспечить компенсацию симметричного провала напряжения вплоть до 50 % повышающий конвертор имеет возможность компенсировать глубокие несимметричные провалы, такие как полный выход из строя одной из фаз. Для защиты против полного отключения электроэнергии повышающий конвертор может быть дополнен батареями.
Активный фильтр ( рис. 7) — это преобразователь, который работает как выпрямитель при использовании IGBT-тиристоров вместо диодов.
Активный фильтр может постоянно поддерживать напряжение в течение всего провала напряжения. Номинальный ток активного фильтра определяет максимальное значение корректировки провала напряжения.
Рис. 7. Активный фильтр
В случае возникновения провала напряжения бестрансформаторная схема компенсации провала напряжения (рис. 8) открывается и нагрузка питается через инвертор. Энергия на шинах постоянного напряжения инвертора поддерживается двумя заряженными последовательно соединенными конденсаторами.
Рис. 8. Бестрансформаторная последовательная компенсация провала напряжения
Для остаточного напряжения равного 50 % может быть обеспечен номинальный уровень напряжения. В данном устройстве необязательные источники питания (конденсаторы) могут смягчить полное отключение электроэнергии на ограниченный период времени. Устройство обеспечивает возможность восстановления напряжения и при несимметричных провалах напряжения.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что такое компенсатор напряжения
 |  | |||||||||||||||||||||||
| | | ||||||||||||||||||||||
| | |||||||||||||||||||||||
 | Надежность электроснабжения Провалы напряжения оказывают особенно ощутимое влияние на непрерывные производственные процессы на химических, нефтеперерабатывающих, машиностроительных и других предприятиях со сложной технологической цепочкой выпуска продукции, где для останова и возобновления процесса требуется от нескольких часов до нескольких суток. СЕТИ ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ | |||||||||||||||||||||||
| Степень чувствительности к ПН | Критичные участки | Количество провалов, (%) |
| 1 | Реле защиты (33%) и контакторы (14%) | 47 |
| 2 | Источники постоянного тока: ПК (7%), контроллеры (7%), системы включения-отключения (5%) | 19 |
| 3 | Трехфазные источники питания типа Mагнетрон | 12 |
| 4 | Вакуумные насосы | 12 |
| 5 | Турбонасосы | 7 |
| 6 | Электроприводы переменного тока | 2 |
Для определения границы чувствительности необходимо проводить замеры, которые дадут представление о чувствительности оборудования.
Крайне важно определить порог чувствительности тех элементов, которые отвечают за выполнение всего технологического процесса на промпредприятиях, чтобы предотвратить остановы (табл. 2).
Эти данные являются характеристикой системы электроснабжения.
ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА НА ПРЕДПРИЯТИИ ОТ ПН
Для выбора средств и методов борьбы с ПН необходимо определить экономический ущерб, обусловленный ПН. Исходные данные для расчета ущерба:
Экономический ущерб на предприятии, вызванный ПН, предлагаем определять по следующим критериям:
Без учета ущерба от низкого качества электроэнергии невозможно корректно подсчитать экономический эффект от повышения надежности технических систем как при проектировании, так и в эксплуатации.
Приведем несколько примеров, ярко показывающих, как ПН влияют на работу электрооборудования и какой экономический ущерб они могут нанести.
На заводе по выпуску высоковольтного кабеля зарегистрировано 25–30 ПН в год, которые приводят к останову производства. При останове линии каждый раз отрезается, к примеру, 300 метров кабеля, который считается браком. 1 погонный метр кабеля стоит 150 долларов США. Технология изготовления кабеля предусматривает загрузку линии на 1000 м (бухта). Это означает, что оставшиеся 700 м – неликвид, который может быть нереализованным. Поэтому нетрудно просчитать потери из-за одного останова.
Украинский машиностроительный завод по производству двигателей для авиапромышленности вытачивает на станках с числовым программным управлением лопатки двигателей более месяца. В момент провала сбивается автоматическая программа по микронной обработке, что безусловно приводит к браку продукции.
Выбор технических решений, минимизирующих последствия ПН, должен основываться на расчете экономического ущерба, обусловленного ПН для данной технологической установки или производственного процесса.
МЕРЫ, МИНИМИЗИРУЮЩИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПН В СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
УСТРОЙСТВА, МИНИМИЗИРУЮЩИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПН
Источники бесперебойного питания (ИБП)
Учитывая достаточно высокую стоимость ИБП при небольшой мощности, такими источниками можно снабжать лишь самых ответственных потребителей – системы РЗА, компьютеры диспетчерских пунктов, которые получают и обрабатывают информацию о ходе технологического процесса [12]. Применение ИБП позволяет устранить влияние колебаний напряжения в сети, а также дает возможность безаварийного останова установки при прекращении электроснабжения. Кроме того, автономные источники питания можно использовать в цепях возбуждения синхронных двигателей, которые обладают гораздо меньшей мощностью, а снижение вращающего момента при провале питающего напряжения с сохранением напряжения возбуждения окажется гораздо меньшим, что позволит двигателю остаться в работе.
Стабилизаторы напряжения
Для питания однофазных или небольших трехфазных потребителей (сеть освещения, ответственная компьютерная техника, лазерные маркеры), которые способны выдерживать ПН до 70% остаточного напряжения и выдерживают время провала не более 0,5 с, целесообразно применять стабилизаторы напряжения. Мощность их может колебаться от 500 В·А до 30 и более кВ·А.
В трехфазных сетях применяют три однофазных стабилизатора, включенных по схеме «звезда», которые регулируют напряжение отдельно на каждой фазе. Однако их недостатком является низкое быстродействие.
Конденсаторные накопители энергии (КНЭ)
Современные электронные устройства для защиты требуют вспомогательного питания. Если такого питания нет, а используется только питание основного источника от трансформаторов напряжения, тогда при любом КЗ напряжение может упасть до уровня, когда защитное устройство уже не сможет работать и не произойдет автоматическое отключение.
В настоящее время источником энергии для управления выключателем может служить внешний блок с конденсаторными батареями. Питание такого блока может быть организовано от оперативного тока переменного или постоянного напряжения, от трансформатора собственных нужд или измерительного трансформатора напряжения.
Построение релейной защиты с использованием внешних конденсаторных блоков способно обеспечить достаточное количество энергии для управления выключателем после исчезновения напряжения питания.
К примеру, конденсаторное накопительное устройство (КНЭ-110) после полной зарядки внутренних конденсаторов сохраняет возможность управления выключателем в течение длительного времени [13].
Регуляторы напряжения постоянного тока (РНПТ)
РНПН подключаются параллельно непосредственно к шине постоянного тока и рассчитаны на мощность от 5 кВт до 1300 кВт [13]. Возможные варианты регуляторов:
Рис. 1. Принципиальная схема устройства РНПТ-R
Рис. 2. Принципиальная схема устройства РНПТ-C
НДЭС – накопитель с двойным электрическим слоем (ионистор, ультраконденсатор)
Рис. 3. Принципиальная схема устройства РНПТ-U
Динамические компенсаторы искажений напряжения (ДКИН)
ДКИН представляет собой устройство с двукратным преобразованием напряжения, вход которого подключен к системе электроснабжения. Выход ДКИН через управляемый инвертор и через вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) подключен к нагрузке. Вторичная обмотка ВДТ включена последовательно с нагрузкой, и в ней наводится напряжение, компенсирующее ПН в СЭС.
Система управления непрерывно контролирует напряжение поставки и сравнивает его с заданным пороговым уровнем напряжения. Если напряжение поставки меньше заданного значения, преобразователь источника напряжения немедленно начинает вводить дифференциальное напряжение и поддер-живать номинальное напряжение на стороне нагрузки ( U H ). ДКИН предназначен для того, чтобы компенсировать влияние ПН на линиях, питающих чувствительное оборудование. Нормальное электроснабжение осуществляется и при провалах напряжения в питающей системе электроснабжения, в связи с тем что ДКИН регулирует напряжение на нагрузке, приближая его к номинальному значению и отключая КНЭ от энергосистемы. ДКИН обеспечивает за 1–2 мс отклик на ПН с последующим регулированием напряжения наполовину в течение 1 мс и полным восстановлением напряжения за 10 мс. ДКИН обеспечивает полную компенсацию ПН в пределах номинального при перегрузках по току в 200% в течение не менее 30 с, частичную компенсацию при трехфазных ПН вплоть до 50% и однофазных провалах до 55% в течение не менее 30 с [15].
Активные регуляторы напряжения (АРН)
АРН – это трехфазное устройство, используемое в сетях среднего и низкого напряжения для компенсации ПН, фазовой погрешности, несимметрии и скачков напряжения. При этом оно осуществляет постоянное регулирование напряжения. АРН включает вольтодобавочный трансформатор с силовой электроникой с выпрямителем, инвертором и высокоскоростным процессором. Стандартный АРН не требует накопителя энергии, поскольку он извлекает дополнительную энергию, требуемую для регулирования напряжения, из системы питания. Так, 10% трехфазный ПН заставит АРН извлечь на 10% больше тока, чтобы обеспечить повышение напряжения для компенсации провала. Благодаря использованию IGBT-технологии стала возможным мгновенная компенсация ПН.
Принцип действия АРН следующий: первичная обмотка трансформатора подсоединена последовательно к нагрузке, а вторичная — к силовой электронике. При возникновении ПН, который регистрируется датчиками на первичной обмотке, ток из линии преобразуется в постоянный ток выпрямителем, инвертор получает энергию из выпрямителя и подает напряжение на вторичную обмотку трансформатора с измененной амплитудой и фазовым углом, способным скомпенсировать ПН. Время отклика на ПН составляет 1 мс, и полная компенсация обычно составляет 4–5 мс. АРН защищает те нагрузки, которые чувствительны к изменениям напряжения и являются неотъемлемой частью производственного процесса.
Размеры АРН мощностью 1 МВт сопоставимы с ИБП мощностью 300 кВ·А. АРН является источником питания с малым внутренним полным сопротивлением, поэтому промышленные нагрузки не влияют на работу АРН. КПД АРН составляет 99%, в то время как у ИБП – 93%.
Расчет АРН основывается на знании глубины ПН и мощности нагрузки, а мощность ИБП должна превышать мощность нагрузки на 10–20% [13].
Устройства для компенсации ПН в управляющих нагрузках (УКПН)
Подробная информация о конструкции, выборе таких устройств представлена в [13].
УКПН состоит из последовательно соединенного коммутирующего переключателя и подключенного параллельно к нагрузке инвертора. Энергия хранится в конденсаторной батарее. Статический коммутатор может противостоять большим броскам тока. Он идеально подходит для работы электромагнитного пускателя, когда большие короткие броски тока появляются в момент подачи питания. Инвертор создан таким образом, что его мост защищен от бросков тока и КЗ. Синусоида на выходе имеет прямоугольное колебание, у которой действующее и пиковое значение напряжения такое же, как и у синусоидального колебания.
Это важно для цепей, у которых магнитные устройства (трансформаторы и электромагнитные пускатели) находятся в цепи с электронными реле, питающимися напряжением постоянного тока от входных конденсаторных фильтров.
В резервном режиме работы коммутирующий переключатель направляет энергию прямо к нагрузке, инвертор отключен, а конденсаторы заряжаются до полного номинального напряжения. Напряжение в системе питания постоянно контролируется. Когда происходит отклонение напряжения выше номинального, переключатель отключается и инвертор срабатывает. Срабатывание происходит меньше чем за 200 мкс. Такие однофазные устройства производятся на токи от 2 А до 25 А и имеют невысокую стоимость.
ЛИТЕРАТУРА
 |
© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна