Экономия электроэнергии — это не роскошь... Часть 2.1. Частотно-регулируемые приводы
Итак, в материале «Экономия электроэнергии — это не роскошь... Часть 2. Частотно-регулируемые приводы» мы выяснили, что массовое внедрение ЧРП — это один из самых очевидных и результативных путей к энергоэффективности и энергосбережению. Предприятия, установившие у себя «умные» приводы на насосы и вентиляторы, буквально купаются в сэкономленных киловатт-часах и рублях. Казалось бы, картина выглядит идиллически. Но, как это часто бывает в технике, все не так однозначно.
Как известно, у каждой медали есть обратная сторона. У внедрения ЧРП имя этой стороны — высшие гармоники.
Если регулирование насосов и вентиляторов с использованием дроссельных заслонок можно сравнить с расточительным сливом денег в трубу, то проблема гармоник — это тихий вор, который подтачивает здоровье вашей электросети изнутри, создавая скрытые, но весьма ощутимые риски.
Как известно, у каждой медали есть обратная сторона. У внедрения ЧРП имя этой стороны — высшие гармоники.
Если регулирование насосов и вентиляторов с использованием дроссельных заслонок можно сравнить с расточительным сливом денег в трубу, то проблема гармоник — это тихий вор, который подтачивает здоровье вашей электросети изнутри, создавая скрытые, но весьма ощутимые риски.
Откуда берутся «грязные» токи? Физика процесса
Современный ЧРП — это сложное оборудование на основе устройств силовой электроники. По сути он является «вставкой постоянного тока», принимающей энергию на переменном токе с частотой 50 Гц со стороны питающей сети, преобразовывающей ее в постоянные ток и напряжение и далее формирующей на выходе систему переменного напряжения произвольной частоты. Таким образом, его работу правильнее рассматривать как каскадное преобразование энергии. Ключевыми элементами, генерирующими высшие гармоники, здесь являются входной и выходной преобразовательные мосты. Однако, отрицательное влияние на сеть оказывают, очевидно, только входные выпрямители.
В их качестве в относительно дешевых ЧРП как правило используются диодные или тиристорные мостовые выпрямители. Форма токов, потребляемых такими устройствами, является принципиально несимметричной и в случае использования базовой шестипульсной схемы содержит все нечетые гармоники, не кратные трем (см. пример на рис.1). При этом ЧРП такого типа являются источниками тока высших гармоник, генерирующими их в питающую сеть.
В их качестве в относительно дешевых ЧРП как правило используются диодные или тиристорные мостовые выпрямители. Форма токов, потребляемых такими устройствами, является принципиально несимметричной и в случае использования базовой шестипульсной схемы содержит все нечетые гармоники, не кратные трем (см. пример на рис.1). При этом ЧРП такого типа являются источниками тока высших гармоник, генерирующими их в питающую сеть.
В самых дорогих устройствах ЧРП высокой мощности (до нескольких МВт) могут использоваться более совершенные схемы преобразования переменного тока в постоянный на основе управляемых источников напряжения (активные выпрямители или active front-end rectifier AFE), отличительной способностью которых является возможность управлять вектором напряжения на входе устройства, обеспечивая полное управление потреблением (и генерацией) как активной, так и реактивной мощностей.
Отрицательной их особенностью является формирование выходного напряжения с использованием так называемой широтно-импульсной модуляции, принципиального содержащей высокие уровни гармонических искажений.
ЧРП такого типа с точки зрения высших гармоник являются уже источниками напряжения, включенными за входящим в состав привода индуктивным сопротивлением (форму линейного напряжения до и после сглаживающего дросселя можно видеть на Рис. 2). В спектре входных напряжений (и токов) таких устройств практически отсутствуют гармоники низких порядков, однако могут присутствовать гармоники порядков 35, 37 и выше. Отрицательным моментом здесь может быть появление гармоник в зоне свыше 40-го порядка, не контролируемой действующими документами, направленными на качество электрической энергии. Такие гармоники не видны обычными измерительными приборами, однако могут приводить к сбоям в работе чувствительного оборудования и нарушениям технологических процессов.
Отрицательной их особенностью является формирование выходного напряжения с использованием так называемой широтно-импульсной модуляции, принципиального содержащей высокие уровни гармонических искажений.
ЧРП такого типа с точки зрения высших гармоник являются уже источниками напряжения, включенными за входящим в состав привода индуктивным сопротивлением (форму линейного напряжения до и после сглаживающего дросселя можно видеть на Рис. 2). В спектре входных напряжений (и токов) таких устройств практически отсутствуют гармоники низких порядков, однако могут присутствовать гармоники порядков 35, 37 и выше. Отрицательным моментом здесь может быть появление гармоник в зоне свыше 40-го порядка, не контролируемой действующими документами, направленными на качество электрической энергии. Такие гармоники не видны обычными измерительными приборами, однако могут приводить к сбоям в работе чувствительного оборудования и нарушениям технологических процессов.
Цена «грязного» питания: иллюстрация проблем
Что происходит, когда десятки или сотни ЧРП начинают «загрязнять» питающую сеть предприятия? Последствия могут быть катастрофическими и очень дорогими.
Пример 1: Загадочные срабатывания защит
На химическом комбинате после масштабной модернизации с установкой 150 ЧРП начались регулярные, ничем не объяснимые отключения автоматических выключателей на распределительных щитах, не связанных напрямую с этими приводами. Причина? Высокие уровни 5-й и 7-й гармоник, накладываясь на основную синусоиду, создавали токи, которые тепловые расцепители воспринимали как перегрузку. Результат — внеплановые остановки технологических линий, испорченное сырье и миллионы рублей убытка.
Пример 2: Перегрев и выход из строя трансформаторов и кабелей
На фабрике по производству бумаги спустя год после успешного внедрения ЧРП начался настоящий «пожар» в главной распределительной подстанции. Сильно грелся и в итоге вышел из строя силовой трансформатор. Энергообследование показало, что из-за гармоник токи в кабелях достигли аномальных значений, а трансформатор работал с перегрузкой, хотя по показаниям счетчиков активной мощности нагрузка была в норме.
Гармонические токи не выполняют полезной работы, но вызывают нагрев — съедают жизненный ресурс оборудования.
Пример 3: Взаимное влияние и сбои в работе чувствительной аппаратуры
На автомобильном заводе ЧРП, управляющие мощными вентиляторами в покрасочных камерах, вызывали помехи, которые приводили к сбоям в работе программируемых логических контроллеров (ПЛК) и датчиков на соседней сборочной линии. Дорогостоящие роботы останавливались из-за потери связи. Проблема — электромагнитные помехи, порождаемые высшими гармониками со стороны ЧРП.
Пример 1: Загадочные срабатывания защит
На химическом комбинате после масштабной модернизации с установкой 150 ЧРП начались регулярные, ничем не объяснимые отключения автоматических выключателей на распределительных щитах, не связанных напрямую с этими приводами. Причина? Высокие уровни 5-й и 7-й гармоник, накладываясь на основную синусоиду, создавали токи, которые тепловые расцепители воспринимали как перегрузку. Результат — внеплановые остановки технологических линий, испорченное сырье и миллионы рублей убытка.
Пример 2: Перегрев и выход из строя трансформаторов и кабелей
На фабрике по производству бумаги спустя год после успешного внедрения ЧРП начался настоящий «пожар» в главной распределительной подстанции. Сильно грелся и в итоге вышел из строя силовой трансформатор. Энергообследование показало, что из-за гармоник токи в кабелях достигли аномальных значений, а трансформатор работал с перегрузкой, хотя по показаниям счетчиков активной мощности нагрузка была в норме.
Гармонические токи не выполняют полезной работы, но вызывают нагрев — съедают жизненный ресурс оборудования.
Пример 3: Взаимное влияние и сбои в работе чувствительной аппаратуры
На автомобильном заводе ЧРП, управляющие мощными вентиляторами в покрасочных камерах, вызывали помехи, которые приводили к сбоям в работе программируемых логических контроллеров (ПЛК) и датчиков на соседней сборочной линии. Дорогостоящие роботы останавливались из-за потери связи. Проблема — электромагнитные помехи, порождаемые высшими гармониками со стороны ЧРП.
Рецепт здоровья сети: не ставить диагноз по фото в интернете
Главная мысль, которую мы хотим донести: ЧРП — это хорошее решение для задач экономии потребления электической энергии, но без грамотного расчета режимов (включая несинусоидальные) на стадии проектирования и, самое главное, последующего периодического обследования установленных систем на стадии эксплуатации, не обойтись!
Что входит в этот комплексный подход?
1. Проектирование с оглядкой на гармоники. Прежде чем закупать партию ЧРП, необходимо выполнить расчет ожидаемого уровня гармоник в сети. Уже на этой стадии можно выбрать правильную стратегию.
Можно использовать приводы с пониженным уровнем гармоник в токах. Отмечавшиеся выше современные ЧРП высшего ценового диапазона на базе управляемых источников напряжения потребляют близкие к синусоидальным токи, сводя гармоники в контролируемой по ГОСТ 32144-2013 зоне к минимуму. Дополнительно, такие устройства моут выполнять роль активных фильтров, компенсирующих токи гармоник порядков до 25-30.
Использование специальных трансформаторов со схемами соединения обмоток «зигзаг» или с раздельными обмотками (например, Y/Д-11) позволяет компенсировать часть гармонических токов, относящихся к нулевой последовательности (нечетные гармоники кратные трем).
Классическим решением также является использование пассивных LC-фильтров, предназначенных для фильтрации гармоник, совпадающих с частотой настройки фильтров.
2. Регулярный энергомониторинг и контроль качества электрической энергии. Внедрение ЧРП заметно отличается от ситуации «установил и забыл». Не реже раза в год (а на критичных объектах — постоянно) необходимо проводить измерения с помощью анализаторов качества электроэнергии (см. "Проблематика использования..."). Эти приборы точно покажут, какие гармоники присутствуют, каков их уровень, и не превышают ли они допустимые нормы (регламентированные, например, в ГОСТ 32144-2013).
Только такой системный подход — от грамотного проекта до регулярного «диспансерного наблюдения» — позволяет получить всю пользу от частотного регулирования, избежав его скрытых угроз.
Что входит в этот комплексный подход?
1. Проектирование с оглядкой на гармоники. Прежде чем закупать партию ЧРП, необходимо выполнить расчет ожидаемого уровня гармоник в сети. Уже на этой стадии можно выбрать правильную стратегию.
Можно использовать приводы с пониженным уровнем гармоник в токах. Отмечавшиеся выше современные ЧРП высшего ценового диапазона на базе управляемых источников напряжения потребляют близкие к синусоидальным токи, сводя гармоники в контролируемой по ГОСТ 32144-2013 зоне к минимуму. Дополнительно, такие устройства моут выполнять роль активных фильтров, компенсирующих токи гармоник порядков до 25-30.
Использование специальных трансформаторов со схемами соединения обмоток «зигзаг» или с раздельными обмотками (например, Y/Д-11) позволяет компенсировать часть гармонических токов, относящихся к нулевой последовательности (нечетные гармоники кратные трем).
Классическим решением также является использование пассивных LC-фильтров, предназначенных для фильтрации гармоник, совпадающих с частотой настройки фильтров.
2. Регулярный энергомониторинг и контроль качества электрической энергии. Внедрение ЧРП заметно отличается от ситуации «установил и забыл». Не реже раза в год (а на критичных объектах — постоянно) необходимо проводить измерения с помощью анализаторов качества электроэнергии (см. "Проблематика использования..."). Эти приборы точно покажут, какие гармоники присутствуют, каков их уровень, и не превышают ли они допустимые нормы (регламентированные, например, в ГОСТ 32144-2013).
Только такой системный подход — от грамотного проекта до регулярного «диспансерного наблюдения» — позволяет получить всю пользу от частотного регулирования, избежав его скрытых угроз.
