Экономия электроэнергии — это не роскошь... Часть 2.2. Частотно-регулируемые приводы: гармоники и электрическая сеть
Итак, в материале «Экономия электроэнергии — это не роскошь... Часть 2. ЧРП — частотно-регулируемые приводы» мы отметили, что применение ЧРП является одним из проторенных путей достижения энергоэффективности и энергосбережения.
В следующей части данного тематического цикла "Экономия электроэнергии — это не роскошь... Часть 2.1. Частотно-регулируемые приводы" были рассмотрены причины появления высших гармоник при работе частотно-регулируемых приводов, различия между преобразовательными схемами и основные способы снижения искажений. Однако сам по себе спектр тока ЧРП ещё не показывает, насколько сильно преобразователь повлияет на напряжение в конкретной системе электроснабжения.
Одинаковое преобразовательное оборудование в двух сетях может создавать существенно различающиеся уровни искажений. Причина связана уже не только с источником гармоник, но и с параметрами питающей сети: гармонический ток проходит через её частотно-зависимое сопротивление и формирует гармонические составляющие напряжения на общих шинах.
Поэтому продолжение разговора о ЧРП целесообразно перенести от самого преобразователя к системе электроснабжения в целом. Такой взгляд объясняет, почему проблема может проявиться после изменения схемы сети или включения конденсаторной установки, хотя состав частотно-регулируемых приводов при этом не изменился.
В следующей части данного тематического цикла "Экономия электроэнергии — это не роскошь... Часть 2.1. Частотно-регулируемые приводы" были рассмотрены причины появления высших гармоник при работе частотно-регулируемых приводов, различия между преобразовательными схемами и основные способы снижения искажений. Однако сам по себе спектр тока ЧРП ещё не показывает, насколько сильно преобразователь повлияет на напряжение в конкретной системе электроснабжения.
Одинаковое преобразовательное оборудование в двух сетях может создавать существенно различающиеся уровни искажений. Причина связана уже не только с источником гармоник, но и с параметрами питающей сети: гармонический ток проходит через её частотно-зависимое сопротивление и формирует гармонические составляющие напряжения на общих шинах.
Поэтому продолжение разговора о ЧРП целесообразно перенести от самого преобразователя к системе электроснабжения в целом. Такой взгляд объясняет, почему проблема может проявиться после изменения схемы сети или включения конденсаторной установки, хотя состав частотно-регулируемых приводов при этом не изменился.
Гармонический ток — ещё не искажение напряжения
Частотно-регулируемый привод с нелинейным входным преобразователем можно рассматривать как один из источников гармонических токов. Однако уровень искажений напряжения определяется взаимодействием этих токов с электрической сетью.
Для отдельной гармоники эту связь в простейшем виде можно описать выражением Uₕ ≈ Iₕ * Zₕ,
где Iₕ — ток гармоники порядка h; Zₕ — сопротивление электрической сети на частоте этой гармоники; Uₕ — соответствующая гармоническая составляющая напряжения.
Физический смысл зависимости хорошо иллюстрирует схема на рисунке 1.
Для отдельной гармоники эту связь в простейшем виде можно описать выражением Uₕ ≈ Iₕ * Zₕ,
где Iₕ — ток гармоники порядка h; Zₕ — сопротивление электрической сети на частоте этой гармоники; Uₕ — соответствующая гармоническая составляющая напряжения.
Физический смысл зависимости хорошо иллюстрирует схема на рисунке 1.
ЧРП и другие нелинейные нагрузки формируют гармонический ток Iₕ. Проходя через частотно-зависимое сопротивление питающей сети Zₕ, этот ток создаёт гармоническую составляющую напряжения Uₕ на общей шине. Возникающее искажение напряжения воздействует уже на все электроприёмники, подключённые к этой шине.
Именно поэтому оценивать влияние преобразовательного оборудования только по характеристикам самого ЧРП недостаточно. Один и тот же гармонический ток в «жёсткой» сети с небольшим сопротивлением может вызвать сравнительно малое искажение напряжения. В более «слабой» сети его воздействие окажется заметнее.
Уровень гармонического напряжения определяется сочетанием двух факторов: спектром токов нелинейной нагрузки и частотными характеристиками системы электроснабжения.
Почему свойства самой сети имеют значение?
Сопротивление электрической сети зависит от частоты. Трансформаторы, воздушные и кабельные линии, электродвигатели, конденсаторные установки и другие элементы по-разному влияют на режим при 50 Гц и на частотах высших гармоник. Поэтому величина Zₕ для пятой, седьмой или одиннадцатой гармоники может заметно отличаться от сопротивления, с которым обычно работают при расчёте режима основной частоты.
Особого внимания требуют установки компенсации реактивной мощности. Индуктивность питающей сети вместе с ёмкостью конденсаторов может образовать резонансный контур. Если его резонансная частота оказывается вблизи одной из присутствующих гармоник, соответствующие токи или напряжения могут существенно увеличиться.
По этой причине гармонический режим способен измениться даже при неизменном составе ЧРП. На частотные свойства сети влияют подключение дополнительной батареи конденсаторов, изменение конфигурации сети, ввод или отключение трансформатора, появление новых нагрузок и изменение режима работы предприятия.
Ситуация, при которой оборудование длительное время работает без заметных проблем, а после реконструкции или переключения схемы появляются повышенные гармонические искажения, имеет вполне определённое физическое объяснение: изменился спектр протекающих токов, частотное сопротивление сети или оба фактора одновременно.
Как влияние одного ЧРП распространяется на всю сеть?
Гармонический ток конкретного электроприёмника протекает по общим элементам системы электроснабжения – трансформаторам, линиям и кабелям. Создаваемая им гармоническая составляющая напряжения поэтому появляется на шинах, от которых питаются и другие потребители. Источник искажений и оборудование, испытывающее их воздействие, могут находиться в разных частях одной сети.
Одновременно гармонические составляющие увеличивают действующее значение тока и создают дополнительные потери в кабелях, трансформаторах, электрических машинах и другом оборудовании. Оценка загрузки только по передаваемой активной мощности в таком случае не всегда полностью характеризует тепловой режим.
Наиболее выраженное усиление отдельных составляющих возможно вблизи резонанса. Тогда уровень гармонического напряжения или тока определяется совместным действием источников гармоник и частотных свойств сети, а локальная проблема отдельного ЧРП превращается в характеристику режима всей системы электроснабжения.
Поэтому поиск единственного «виновного» преобразователя не всегда отражает реальную физическую картину. Даже если источник гармонического тока известен, для оценки его последствий необходимо понимать путь распространения тока и сопротивление сети на соответствующих частотах.
Одновременно гармонические составляющие увеличивают действующее значение тока и создают дополнительные потери в кабелях, трансформаторах, электрических машинах и другом оборудовании. Оценка загрузки только по передаваемой активной мощности в таком случае не всегда полностью характеризует тепловой режим.
Наиболее выраженное усиление отдельных составляющих возможно вблизи резонанса. Тогда уровень гармонического напряжения или тока определяется совместным действием источников гармоник и частотных свойств сети, а локальная проблема отдельного ЧРП превращается в характеристику режима всей системы электроснабжения.
Поэтому поиск единственного «виновного» преобразователя не всегда отражает реальную физическую картину. Даже если источник гармонического тока известен, для оценки его последствий необходимо понимать путь распространения тока и сопротивление сети на соответствующих частотах.
От измерения проблемы к пониманию причины
В части 2.1 были перечислены технические средства, которые могут применяться для снижения гармонических искажений: сетевые дроссели, специальные схемы преобразования, пассивные и активные фильтры. Однако само обнаружение повышенного уровня гармоник ещё не определяет, какое решение окажется эффективным в конкретной сети.
При проектировании значительной преобразовательной нагрузки целесообразно оценивать ожидаемый гармонический состав токов и рассчитывать их влияние на напряжение в характерных точках сети. Такой анализ особенно важен при наличии установок компенсации реактивной мощности и других элементов, заметно изменяющих частотные характеристики системы.
Выбор технического решения требует отделить свойства источника от свойств сети. Если повышенная гармоническая составляющая напряжения связана прежде всего с большим током Iₕ, воздействовать следует на источник или путь этого тока. Если определяющим фактором является повышенное Zₕ, например вблизи резонанса, задача смещается к параметрам и конфигурации самой сети.
На действующем объекте исходную информацию дают измерения показателей качества электроэнергии. Регистрация напряжений и токов, их спектрального состава и изменения во времени показывает фактический режим и помогает выявить условия, при которых уровень искажений возрастает.
Однако измерение фиксирует состояние сети в существующей конфигурации. Оно не всегда позволяет непосредственно определить причину повышенного уровня конкретной гармоники и тем более предсказать результат изменения схемы, параметров компенсации или состава оборудования.
Практическую последовательность решения задачи можно представить следующим образом:
измерение → определение источников и условий возникновения гармоник → анализ взаимодействия с сетью → выбор технического решения → проверка результата.
Например, обнаружение повышенной пятой гармоники напряжения ещё не определяет способ её снижения. Причиной может быть значительный ток пятой гармоники I₅, повышенное сопротивление сети Z₅ на частоте 250 Гц или сочетание обоих факторов. При близости резонанса изменение параметров компенсации реактивной мощности способно оказаться не менее значимым, чем воздействие непосредственно на источник гармонического тока.
Совместное использование измерений и расчётной модели сети позволяет связать наблюдаемое искажение с его физической причиной, проверить предполагаемое объяснение и оценить техническое решение до его реализации.
При проектировании значительной преобразовательной нагрузки целесообразно оценивать ожидаемый гармонический состав токов и рассчитывать их влияние на напряжение в характерных точках сети. Такой анализ особенно важен при наличии установок компенсации реактивной мощности и других элементов, заметно изменяющих частотные характеристики системы.
Выбор технического решения требует отделить свойства источника от свойств сети. Если повышенная гармоническая составляющая напряжения связана прежде всего с большим током Iₕ, воздействовать следует на источник или путь этого тока. Если определяющим фактором является повышенное Zₕ, например вблизи резонанса, задача смещается к параметрам и конфигурации самой сети.
На действующем объекте исходную информацию дают измерения показателей качества электроэнергии. Регистрация напряжений и токов, их спектрального состава и изменения во времени показывает фактический режим и помогает выявить условия, при которых уровень искажений возрастает.
Однако измерение фиксирует состояние сети в существующей конфигурации. Оно не всегда позволяет непосредственно определить причину повышенного уровня конкретной гармоники и тем более предсказать результат изменения схемы, параметров компенсации или состава оборудования.
Практическую последовательность решения задачи можно представить следующим образом:
измерение → определение источников и условий возникновения гармоник → анализ взаимодействия с сетью → выбор технического решения → проверка результата.
Например, обнаружение повышенной пятой гармоники напряжения ещё не определяет способ её снижения. Причиной может быть значительный ток пятой гармоники I₅, повышенное сопротивление сети Z₅ на частоте 250 Гц или сочетание обоих факторов. При близости резонанса изменение параметров компенсации реактивной мощности способно оказаться не менее значимым, чем воздействие непосредственно на источник гармонического тока.
Совместное использование измерений и расчётной модели сети позволяет связать наблюдаемое искажение с его физической причиной, проверить предполагаемое объяснение и оценить техническое решение до его реализации.
Энергоэффективность в контексте всей системы
Частотно-регулируемый привод остаётся эффективным способом снижения энергопотребления механизмов, для которых технологический процесс допускает регулирование производительности изменением частоты вращения. Но после выбора самого преобразователя задача не заканчивается: его работа становится частью режима конкретной системы электроснабжения.
По мере увеличения количества силовой электроники возрастает значение гармонических токов, дополнительных потерь и искажений напряжения. При этом последствия определяются параметрами сети и могут изменяться вместе с её конфигурацией.
Связь Iₕ → Zₕ → Uₕ в концентрированном виде отражает основную физику процесса: нелинейная нагрузка создаёт гармонический ток, сеть задаёт частотное сопротивление, а их взаимодействие формирует гармоническую составляющую напряжения.
Поэтому оценка эффективности внедрения ЧРП не ограничивается количеством сэкономленных киловатт-часов. Для устойчивого результата необходимо рассматривать энергетическую эффективность, качество электроэнергии и надёжность оборудования как взаимосвязанные свойства одной системы.
По мере увеличения количества силовой электроники возрастает значение гармонических токов, дополнительных потерь и искажений напряжения. При этом последствия определяются параметрами сети и могут изменяться вместе с её конфигурацией.
Связь Iₕ → Zₕ → Uₕ в концентрированном виде отражает основную физику процесса: нелинейная нагрузка создаёт гармонический ток, сеть задаёт частотное сопротивление, а их взаимодействие формирует гармоническую составляющую напряжения.
Поэтому оценка эффективности внедрения ЧРП не ограничивается количеством сэкономленных киловатт-часов. Для устойчивого результата необходимо рассматривать энергетическую эффективность, качество электроэнергии и надёжность оборудования как взаимосвязанные свойства одной системы.
