Влияние нагрузки на качество электроэнергии

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Лабораторная работа № 5

Влияние нагрузки на качество электроэнергии

Цель работы

Изучение несинусоидальности питающего напряжения - одного из важнейших показателей качества электроэнергии. Исследование некоторых типичных виновников ухудшения данного показателя. Измерение и анализ гармонического состава тока и напряжения.

Содержание работы

нагрузка электроэнергия напряжение гармоника

1. Определить гармонический состав напряжения в питающей сети 0,4 кВ лаборатории.

2. Определить гармонический состав напряжения и тока при подключении представленных в работе нагрузок.

3. Результаты измерений проверить на соответствие допустимым значениям коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.

4. Оценить эффективность применения фильтров высших гармоник.

5. Составить отчет, содержащий полученные осциллограммы и результаты расчетов. Объяснить полученные результаты и сформулировать выводы по работе.

Основные положения и понятия

Качество электроэнергии влияет на работоспособность и эффективность функционирования питаемого оборудования, его следует рассматривать как воздействие кондуктивных помех (электромагнитных помех, распространяющихся по элементам электрической сети) на оборудование. Если уровень помех (показатели качества электроэнергии) не превышает устанавливаемых стандартом норм, то оборудование функционирует исправно, и нарушений (сбоев, снижения эффективности) систем не происходит.

Показатели качества электрической энергии, методы их оценки и нормы определяет Межгосударственный стандарт «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» ГОСТ 13109-97 [5]. В стандарте определяются показатели и нормы качества электроэнергии в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках присоединения электрических сетей, находящихся в собственности различных потребителей электроэнергии.

Стандартом устанавливаются следующие показатели качества электроэнергии (ПКЭ):

установившееся отклонение напряжения ;

размах изменения напряжения ;

доза фликера Pt;

коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU;

коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения KU(n);

коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U;

коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U;

отклонение частоты Дf;

длительность провала напряжения Дtn;

импульсное напряжение Uимп;

коэффициент временного перенапряжения КперU.

Устанавливаемые ГОСТом показатели качества электроэнергии определяют предельный уровень электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении этих норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электроэнергии (приемников электроэнергии), не возникает нарушений и помех в работе оборудования вследствие неудовлетворительного качества электроснабжения.

Большинство явлений, происходящих в электрических сетях и ухудшающих качество электрической энергии, происходят в связи с особенностями совместной работы электроприёмников и электрической сети. Электроприемники с нелинейными вольтамперными характеристиками потребляют из сети несинусоидальные токи при подведении к их зажимам синусоидального напряжения. Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, создают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов и, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажениям формы кривой напряжения в узлах электрической сети. В связи с этим ЭП с нелинейной вольтамперной характеристикой часто называют источниками высших гармоник.

Наиболее распространенным оборудованием, генерирующим высшие гармоники тока в сеть, являются:

статические преобразователи (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания и т.д.);

газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;

электродуговые печи постоянного и переменного тока;

сварочные аппараты;

устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;

электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения;

специальные медицинские приборы и т.д.

Указанные устройства являются генераторами высших гармоник тока в системе электропитания. В зависимости от места своего подключения и процентного соотношения с линейными нагрузками в этой системе они тем или иным образом будут оказывать влияние на другие нагрузки.

Увеличение общего действующего значения тока при наличие высших гармонических в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, также высшие гармоники вызывают:

паразитные поля и электромагнитные моменты в синхронных и асинхронных двигателях, которые ухудшают механические характеристики и КПД машины. В результате необратимых физико-химических процессов, протекающих под воздействием полей высших гармоник, а также повышенного нагрева токоведущих частей наблюдается:

ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, кабелей;

ухудшение коэффициента мощности ЭП;

ухудшение или нарушение работы устройств автоматики, телемеханики, компьютерной техники и других устройств с элементами электроники;

погрешности измерений индукционных счетчиков электроэнергии, которые приводят к неполному учету потребляемой электроэнергии;

нарушение работы вентильных преобразователей при высоком уровне высших гармонических составляющих.

Наличие высших гармоник неблагоприятно сказывается на работе не только электрооборудования потребителей, но и электронных устройствах в энергосистемах. Для некоторых установок (система импульсно-фазового управления вентильными преобразователями, комплектные устройства автоматики и др.) допустимые значения отдельных гармоник тока (напряжения) указываются изготовителем в паспорте изделия.

Измерение несинусоидальности напряжения

Для анализа формы электрических сигналов широко используют измерение их спектрального (частотного) состава. Сложные периодические сигналы полностью описываются амплитудами и фазами их спектральных составляющих, однако в большинстве случаев достаточно иметь информацию об амплитуде и частоте составляющих спектра сигнала, т.е. об амплитудно-частотном спектре.

Любая периодическая функция f(t) с периодом T может быть представлена в виде суммы синусов и косинусов от аргумента nщt (так называемый ряд Фурье), где n - целое положительное число, t - время, щ =2p/T - угловая частота.

Компоненты ряда Фурье называются гармониками. Любая четная функция может быть разложена в ряд Фурье, состоящий из косинусов, а любая нечетная функция раскладывается в ряд из синусов. Для некоторых функций ряд Фурье может состоять лишь из нечетных гармоник. При этом четными называются гармоники с частотами, кранными 2, а нечетными - не кратные 2.

В случае анализа спектра сетевого напряжения промышленной частоты основной (первой) гармоникой является гармоника с частотой 50 Гц, четные гармоники - с частотами 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц и т.д. (2-я, 4-я, 6-я и т.д. гармоники), а нечетные - 150 Гц, 250 Гц, 350 Гц и т.д. (3-я, 5-я, 7-я и т.д. гармоники).

Пример осциллограммы сигнала, состоящего из двух гармоник и высокочастотного шума, и спектр этого сигнала показаны на рис. 1.

Рис. 1. Осциллограмма сигнала и его спектр.

Несинусоидальность напряжения как показатель качества электроэнергии характеризуется следующими показателями: коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU определяется по выражению, %

где U(n) -- действующее значение n-ой гармонической составляющей напряжения, В; U(1) -- действующее значение напряжения основной частоты, В.

Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения равен, %

.

Для вычисления KU необходимо определить уровень напряжения отдельных гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой.

При определении показателей КЭ допускается не учитывать гармонические составляющие, значения которых менее 0,1 %.

Согласно ГОСТ 13109-97 нормы приведенных показателей установлены следующие. Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в таблице 1.

Нормально допустимые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением Uном приведены в таблице 2.

Предельно допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле:

KU(n)=1,5 KU(n)норм,

где KU(n)норм -- нормально допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, определяемое по таблице 2.

Таблица 1 - Значения коэффициента искажения синусоидальности

кривой напряжения в процентах

Нормально допустимое значение при Uном, кВ	Предельно допустимое значение при Uном, кВ
0,38	6-20	35	110-330	0,38	6-20	35	110-330
8,0	5,0	4,0	2,0	12,0	8,0	6,0	3,0

Таблица 2 - Значения коэффициента n-ой гармонической

составляющей напряжения в процентах

Нечетные гармоники, не кратные 3, при Uном, кВ	Нечетные гармоники, кратные 3**, при Uном, кВ	Четные гармоники при Uном, кВ
n*	0,38	6-20	35	110-330	n*	0,38	6-20	35	110-330	n*	0,38	6-20	35	110-330
5 7 11 13 17 19 23 25 >25	6,0 5,0 3,5 3,0 2,0 1,5 1,5 1,5 0,2+ +1,3х х25/n	4,0 3,0 2,0 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0 0,2+ +0,8х х25/n	3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,2+ +0,6х х25/n	1,5 1,0 1,0 0,7 0,5 0,4 0,4 0,4 0,2+ +0,2х х25/n	3 9 15 21 >21	5,0 1,5 0,3 0,2 0,2	3,0 1,0 0,3 0,2 0,2	3,0 1,0 0,3 0,2 0,2	1,5 0,4 0,2 0,2 0,2	2 4 6 8 10 12 >12	2,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,2 0,2	1,5 0,7 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2	1,0 0,5 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2	0,5 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Здесь:

* п -- номер гармонической составляющей напряжения.

** Нормально допустимые значения, приведенные для n, равных 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньшими приведенных в таблице.

Предельно допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле:

KU(n)=1,5 KU(n)норм,

где KU(n)норм -- нормально допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, определяемое по таблице 2.

Потребители электроэнергии с нелинейной вольтамперной характеристикой, представленные в работе

Тиристорные регуляторы. Одним из наиболее распространенных принципов регулировании мощности в сетях переменного тока является фазовый. При фазовом способе регулирования используется зависимость между моментом (фазой) открытия регулирующего элемента относительно начала полупериода питающего напряжения и потребляемой устройством мощностью.

Для регулирования мощности используется ключевой элемент, в качестве которого наиболее удобно использовать тиристор (симистор). Изменяя задержку (фазу) времени открытия тиристора относительно начала полуволны сетевого питающего напряжения можно регулировать потребляемую нагрузкой мощность практически от 0 до 100%. Зависимость напряжения на нагрузке от фазы открытия тиристора показана рис. 2.

Рис. 2. Фазовое регулирование напряжения на нагрузке тиристором.

Очевидно, что ток, потребляемый нагрузкой с тиристорным регулятором мощности, будет в значительной степени несинусоидальным, что приведет к появлению высших гармоник в питающей данное устройство сети.

Выпрямители. Ток, потребляемый устройствами, содержащими выпрямители переменного тока, имеет ярко выраженный импульсный характер. При использовании однополупериодного выпрямителя (рис. 3) ток потребляется нагрузкой только в течение одного полупериода, в случае двухполупериодного (мостового) выпрямителя без фильтра (рис. 4, а) при чисто активной нагрузке потребляемый устройством ток не содержит большого количества высших гармоник. Как правило, на практике используется фильтрация выпрямленного напряжения (рис. 4, б), приводящая к искажению синусоидальности потребляемого тока. Конденсатор фильтра периодически разряжается на нагрузку и заряжается вновь через выпрямитель от питающей сети. В моменты зарядки конденсаторов фильтра устройство будет потреблять импульсный несинусоидальный ток.

Рис. 3. Однополупериодный выпрямитель и напряжение на нагрузке.

Рис. 4. Мостовая схема выпрямителя и осциллограммы напряжения на нагрузке (а, в - без фильтра, б, г - с фильтром)

Насыщающиеся магнитопроводы. В некоторых случаях (например в аварийных режимах) напряжение, подаваемое на обмотки трансформаторов, двигателей и пр. может превышать номинальное значение и тогда магнитопроводы этих машин могут войти в насыщение (индукция в сердечнике будет достигать индукции насыщения данного материала сердечника). При этом резко снижается магнитная проницаемость материала сердечника, и, как следствие, уменьшается индуктивность обмотки. В эти моменты возрастает потребляемый устройством ток, в общем случае становясь несинусоидальным. Характерная осциллограмма потребляемого тока катушки с насыщающимся сердечником показана на рис. 5.

I, А

t, мсек

Рис. 5. Кривая тока в катушке с насыщающимся магнитопроводом.

Фильтрация высших гармоник

Включение линейных дросселей.

Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть является последовательное включение линейных дросселей. Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на частоте 50 Гц и значительно большее сопротивление для высших гармоник. Включение такого дросселя последовательно с нагрузкой приводит к ослаблению гармоник высших порядков потребляемого устройством тока (рис. 6).



а) б)

Рис 6. Кривые токов нелинейных нагрузок:

а) без дросселя, б) при последовательном включении дросселя.

Применение пассивных фильтров

Применение последовательно включенных линейных дросселей в ряде случаев не позволяет уменьшить гармонические искажения тока до желаемых значений. В этом случае целесообразно применение пассивных LC-фильтров, настроенных на определенный порядок гармоник и подключаемых параллельно нагрузке. Такой фильтр на резонансной частоте обладает низким сопротивлением, обеспечивая подавление данной гармоники. В простейшем случае такой фильтр представляет собой последовательно включенные катушку индуктивности и конденсатор.

Описание лабораторной установки

Общая схема лабораторной установки показана на рис. 7.

Через понижающий трансформатор напряжение от сети 220 В может быть подано на ряд потребителей (нагрузки Н1, Н2 и Н3), обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой и способных генерировать высшие гармоники в питающую сеть. В схеме реализована возможность фильтрации высших гармоник пассивными фильтрами Ф1 и Ф2.

Рис. 7. Схема лабораторной установки.

В качестве устройств с нелинейной ВАХ в лабораторной работе представлены:

- выпрямитель переменного тока (одно- и двухполупериодный, с регулируемым сопротивлением нагрузки) - Н1;

- тиристорный регулятор мощности (с регулируемой фазой открывания) - Н2;

- катушка с насыщающимся магнитопроводом (с регулируемой степенью насыщения) - Н3.

С целью снижения высших гармоник в сети возможно подключение фильтров:

- последовательный дроссель (Ф1);

- пассивный LC-фильтр (Ф2).

Для регистрации, измерения и анализа потребляемых устройствами токов и искажений питающего напряжения в лабораторной работе используется компьютер с устройством аналого-цифрового преобразования (АЦП). АЦП имеет два канала - для регистрации напряжения и тока. Напряжение со схемы на АЦП подается через делитель, ток - с шунта. Регистрация и анализ осциллограмм производится с помощью специализированной программы - осциллографа - анализатора спектра. Данная программа автоматически раскладывает кривую тока или напряжения в ряд Фурье на гармонические составляющие. Руководство пользования программой находится в электронном виде на компьютере. Уровень гармоник на графике спектра в программе отображается в децибелах (дБ), поэтому отношение U(n)/U(1) для n-й гармоники, требуемое для анализа данного ПКЭ в соответствии с ГОСТ 13109-97, может быть найдено как:

,

где U(n) (дБ) и U(1) (дБ) - уровни n-ой и 1-й гармоник, измеренные в децибелах по спектрограмме.

Лабораторная установка представляет собой стенд, на котором расположены основные органы управления: тумблер питания, переключатель сопротивления сети, тумблеры подключения потребителей и фильтров высших гармоник. Дополнительно у каждого потребителя возможны некоторые специфические изменения параметров:

- у выпрямителя возможен выбор схемы выпрямителя (однополупериодный или двухполупериодный), а также регулирование нагрузки выпрямителя;

- у тиристорного регулятора возможна регулировка фазы открывания ключа в тиристорном регуляторе мощности.

- в индуктивной нагрузке предусмотрено изменение числа витков для изменения степени насыщения магнитопровода;

Вместе с этим существует возможность изменения сопротивления сети и подключение или отключение последовательного фильтра гармоник Ф1, а также изменение схемы фильтра Ф2.

Методические указания

Перед началом работы следует ознакомиться с работой программы - спектроанализатора.

Переда началом измерений следует убедиться в отключенном состоянии тумблеров нагрузок и фильтров, после чего запустить программу-спектроанализатор на ПК и включить тумблер питания стенда.

Процедуру регистрации, измерения и анализа токов и напряжений следует проводить во всех следующих случаях:

- все нагрузки и фильтры отключены (исследуется питающая сеть);

- включена одна из нагрузок;

- включена одна из нагрузок и один из фильтров;

Дополнительно при измерениях изменяется сопротивление сети.

Нагрузки, фильтры, сопротивление сети и их параметры, определяющие схему для измерения и анализа, задаются преподавателем в начале работы.

Регистрация осциллограмм напряжения (тока) и анализ спектра сигнала:

По графику спектра следует определить уровни всех гармоник (включая первую 50 Гц), отличающихся по амплитуде от первой менее чем на 60 дБ (в 1000 раз). Затем по измеренным значениям уровней гармоник следует определить коэффициент KU(n) каждой гармонической составляющей напряжения и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU.

Оформление результатов

Все полученные значения (уровни гармоник в дБ и в %) следует привести в виде таблицы. Рассчитанные ПКЭ следует сравнить с нормально допустимыми и предельно допустимыми в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97.

Дополнительно для каждого рассмотренного случая в отчете следует привести осциллограмму формы измеренного напряжения, тока и соответствующий график спектра.

Контрольные вопросы

1. Назовите показатели качества электроэнергии (ПКЭ) по ГОСТ 13109-97.

2. Какой ПКЭ был исследован в работе? Какими показателями он характеризуется?

3. К чему приводит появление высших гармоник в сети?

4. Назовите наиболее характерных виновников искажения синусоидальности напряжения? Объясните механизм генерации ими высших гармоник.

5. Какие существуют способы борьбы с высшими гармониками в сети? Объясните принципы их работы.

6. Назовите нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в соответствии с ГОСТ 13109-97.

7. В каких случаях в сети появляются четные гармоники?

8. Как влияет сопротивление сети на величину возникающих в ней гармоник напряжения?

Размещено на Allbest.ru

...