// Журнал «Промышленная Энергетика», 2012 - № 04, стр. 26-30

 

К вопросу о выборе источников реактивной мощности на промышленных предприятиях

Вагин Г. Я., доктор техн. наук,

Севостьянов А. А., канд. техн. наук,

Юртаев С. Н., инж.

Нижегородский государственный технический университет

 

         В последние десятилетия наряду с тради­ционными источниками реактивной мощно­сти (РМ) - конденсаторными батареями (КБ), синхронными двигателями (СД), син­хронными компенсаторами (СК) и статиче­скими источниками реактивной мощности - появилось много устройств, которые можно использовать для ее компенсации на про­мышленных предприятиях. Это создает опре­деленные трудности при выборе наиболее оптимальных источников РМ.

         Исследования систем электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий и анализ работ [1 - 12] показывает, что на предпри­ятиях могут применяться следующие источ­ники РМ: конденсаторные установки (КУ), СД, СК, пассивные (ПФ), активные (АФ) и гибридные (ГФ) фильтры, статические тиристорные компенсаторы (СТК), быстродейст­вующие статические компенсаторы РМ типа СТАТКОМ. Рассмотрим характеристики и области их применения.

         Конденсаторные установки. К ним отно­сятся параллельного и последовательного включения.

         Конденсаторные установки параллельного включения являются наиболее распространен­ным видом источников РМ. Их использование недопустимо только при наличии электропри­емников с нелинейными вольтамперными ха­рактеристиками. На российском рынке в на­стоящее время имеются различные КУ отече­ственного и зарубежного производства. Из отечественных больше всего востребованы КУ типов УКМ (на напряжение 0,4 кВ) и УКЛ (на напряжение 6, 10 кВ). Установки выпускаются с регулированием мощности (с помощью микропроцессорного регулятора коэффициента мощности) и нерегулируемые.

         Достоинства КУ параллельного включения: относительно низкая стоимость:

         КУ на напряжение 0,4 кВ - от 340 до 1000 руб/квар  (в зависимости от мощности установки);

         КУ на напряжение 6, 10 кВ - от 180 до 810 руб/квар;

         низкие потери активной мощности ΔРКУ: на напряжение 0,4 кВ: конденсаторы старых серий с синтетическим диэлектриком серии КС - от 3,5 до 4,5 Вт/квар; новых серий су­хого типа с металлизированной полипропиле­новой пленкой - от 0,25 до 0,45 Вт/квар [3];

         на напряжение 6, 10 кВ: конденсаторы старых серий с синтетическим диэлектриком серии КС - от 2 до 2,5 Вт/квар, новых се­рий с металлизированной полипропиленовой пленкой - от 0,1 до 0,2 Вт/квар [3];

         широкая шкала мощностей: КУ на 0,4 кВ - от 20 до 1000 квар, на 6, 10 кВ - от 75 до 4450 квар;

         возможность регулирования РМ, что по­зволяет повышать качество электрической энергии;

         простота обслуживания и эксплуатации;

         возможность установки в любой точке СЭС.

         Конденсаторные установки последователь­ного включения (УПК). Применение этих КУ на промышленных предприятиях перспектив­но при наличии электроприемников с им­пульсным режимом работы, например машин контактной сварки. Как показано в [4], coscp этих машин очень низок - от 0,25 до 0,7. Продольная компенсация позволяет не толь­ко повысить их coscp, но и снизить создавае­мые ими колебания напряжения. Использова­ние в данном случае КУ параллельного включения нежелательно, так как создаваемые этими машинами высшие гармоники (ВГ) тока могут приводить к резонансным явлениям.

         Для повышения cosφ в электрических се­тях с машинами контактной электросварки в [4] предложено применять УПК, осуществ­ляющие индивидуальную и групповую ком­пенсацию.

         Индивидуальная компенсация, реализуе­мая УПК, установленной у сварочной маши­ны, позволяет: повысить до единицы ее cosφ; снизить в 4 - 8 раз потери мощности в ней; уменьшить в 1,5 - 2 раза токи, потреб­ляемые из сети, а следовательно, понизить примерно в 3 раза потери мощности в эле­ментах СЭС; уменьшить сечение проводни­ков; увеличить в 1,5 - 2 загрузку цеховых понижающих подстанций и сократить в 1,5 - 2 раза их количество; снизить в 4 - 5 раз колебания напряжения в цеховых электрических сетях; уменьшить в 2 - 3 раза несимметрию напряжения; исключить резо­нансные явления. В [4] даны выражения для определения параметров индивидуальных УПК и приведены данные этих установок для разных машин контактной электросвар­ки. Так как использование индивидуальных УПК связано с необходимостью конструктив­ного изменения машин контактной сварки, в [4] приведены рекомендации по применению УПК с групповой компенсацией в цехах со сварочной нагрузкой. Установки располагают в сетях 6, 10 кВ питающей подстанции.

         Синхронные двигатели получили широкое распространение во всех отраслях промыш­ленности в приводах насосов, компрессоров, вентиляторов, дробилок, дымососов, мель­ниц, прокатных станов и т. д. Поскольку вы­пускаемые СД имеют номинальный опере­жающий коэффициент мощности cos φ ном = - 0,9, их можно использовать в качестве источников РМ.

         Минимальное значение РМ, которое мо­жет генерировать СД, определяют из выра­жения [3]

                             [1]

 

         где  - номинальная активная мощ­ность;  - коэффициент загрузки СД по ак­тивной мощности;    - номинальный ко­эффициент реактивной мощности.

        

Число оборотов в минуту

Пределы ΔРКУ, Вт/квар, для СД

до 2500 кВт

более 2500 кВт

3000

10-26,4

6,6 - 10

1000

13,7-47

7,5-13,7

750

14,8-43,6

9,4 - 14,8

600

15,2-48,2

9,1 - 15,2

500

18,1 - 58,4

10,5- 18,1

 

         Из таблицы, где приведены пределы удельных потерь активной мощности СД, следует, что они снижаются с увеличением мощности СД и числа оборотов. Удельные потери в СД в 20 - 100 раз больше, чем в КБ с новым диэлектриком.

         Обычно при установке СД исходят из требований   технологии, но помимо этого следует рассматривать целесообразность их дополнительного использования в качестве источника РМ. Как показано в [12], СД экономически выгодно применять в качестве источников РМ, если их частота вращения не менее 1000 об/мин.

         Синхронные компенсаторы устроены аналогично СД, но функционируют в режиме холостого хода. В зависимости от возбуждения они также могут работать в режимах потребления РМ, генерации РМ и с cos = l. В СК 6, 10 кВ, выпускаемых на мощности от 5 до 320 Мвар, удельные потери активной мощности составляют соответственно от 30 до 12 кВт/Мвар [3].

         Ввиду большой мощности и высокой стоимости СК в настоящее время применяются очень редко (сохранились только на старых металлургических комбинатах).

         Пассивные фильтры. В электрических сетях промышленных предприятий с нелинейными электроприемниками применение КБ для компенсации РМ может привести к резонансным явлениям и выходу их из строя из-за перегрузки по току. Поэтому для этой цели, а также для снижения ВГ в таких сетях можно применять ПФ [1,2,5,8]. Они бывают заградительными и шунтирующими. Заградительные фильтры используют при невысоких уровнях ВГ - их основная задача не допускать резонанса в цепях с КБ. Для этого резонансная частота контура реактор - КБ должна быть меньше частоты наименьшей гармоники амплитудного спектра, т. е. цепь реактор - батарея должна иметь индуктивный характер на частоте гармоники наименьшего порядка nmin:

                             [2]

 

          - индуктивые сопротивления реактора и КБ.

         Пассивные шунтирующие фильтры параллельного включения просты в эксплуатации и недороги, поэтому они получают на промышленных предприятиях все большее распространение. Их стоимость - от 2000 до 4000 руб/квар [10]. Одной        из основных характеристик шунтирующих ПФ является добротность

                                                [3]

 

         где  - индуктивное сопротивление фильтра при резонансе; R - активное сопротивление фильтра.

         Добротность фильтра определяет точность его настройки. Фильтр с высоким уровнем добротности (Дф = 30 -ь 60) настраивается строго на одну из низких гармонических частот (например, на пятую). Фильтр с низким уровнем добротности имеет относительно малое сопротивление в широком диапазоне частот, особенно если его добротность не превышает 5.

 

 

         На рис. 1, а и в показаны шунтирующие ПФ - соответственно узкополосный (настроенный) и широкополосный (гасящий), а на рис. б и г - их частотные характеристики.

         Практика показывает, что наиболее оптимальным вариантом применения узкополосных и широкополосных пассивных фильтров является их комбинация. Это связано с тем, что многие электроприемники (электросварочные машины, дуговые печи, прокатные станы, преобразователи частоты и др.) наряду с ВГ генерируют интергармоники [1], которые можно устранить только с помощью широкополосного фильтра. Его настраивают на наименьшую гармонику, генерируемую данным электроприемником, определяют коэффициент несинусоидальности напряжения и, если его значение оказывается выше, чем требуемое ГОСТ 13109-97, дополнительно устанавливают один или два узкополосных фильтра на наибольшие по амплитуде гармоники тока.

         Наименьшими гармониками следует считать:

         nmin = 2 - для дуговых печей переменного тока;

         nmin = 3 - ПРИ наличии электросварки или однофазных, двухфазных либо трехфазных выпрямителей с нулевой схемой;

         nmin = 5 - при трехфазных мостовых выпрямителях;

         nmin = 11 - при двенадцатифазных выпрямителях.

         В настоящее время различные фирмы выпускают пассивные фильтры мощностью от 15 до 1250 квар на напряжение 0,4 кВ и от 500 до 10 000 квар на напряжение 6, 10 кВ.

         Недостаток пассивных фильтров состоит в неуправляемости параметров в процессе эксплуатации, что в ряде случаев может приводить к перегрузке КБ. Поэтому их применение целесообразно в тех СЭС, где не требуется полная компенсация высших гармоник и нагрузка электроприемников носит спокойный характер.

         Активные фильтры. В последние годы проявляется большой интерес к АФ высших гармоник. Они бывают двух разновидностей: параллельного и последовательного включения (соответственно рис. 2, а и б) [8-10].

         В АФ параллельного включения используется инвертор напряжения. С помощью устройства формирования задающих токов УФЗТ активный фильтр генерирует в сеть все токи гармоник , создаваемых их источником ИГ, но с противоположным знаком, что приводит к компенсации гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой. В результате в сети остается только ток первой гармоникичастотой 50 Гц.

         В АФ последовательного включения с помощью трансформатора Т в сеть питания вводится независимый источник питания ИЛ переменного напряжения, амплитуда и фаза которого могут изменяться по заданному закону. Управление АФ осуществляется с использованием метода широтно-импульсной модуляции таким образом, чтобы выходное напряжение  "отслеживало" задающее напряжение питания. Эти фильтры позволяют минимизировать высшие гармоники, интергармоники, регулировать напряжение у потребителей и снижать колебания и провалы напряжения.

         По сравнению с пассивными АФ имеют следующие преимущества:

         отличные динамические характеристики: время реагирования - менее 1 мс;

         возможность фильтрации до 20 гармоник (до частоты 2500 Гц);

         четырехпроводный вариант схемы подключения позволяет исключить третью и другие кратные ей гармоники тока нейтрали;

         возможность выбора эксплуатационного режима работы: для компенсации высших гармоник или для компенсации ВГ и потребляемой РМ;

         малые размеры;

         низкие потери мощности (меньше 3 % номинальной мощности нагрузки);

         отсутствие помех, влияющих на работу систем управления;

         большая гибкость в перестройке режимов;

         невозможность перегрузки.

         К недостаткам АФ следует отнести большую установленную мощность, которая соизмерима с мощностью нелинейной нагрузки, а также высокую (в 3 - 5 раза больше, чем у ПФ) стоимость [10].

 

Рис. 2. Схемы активных фильтров параллельного (а) и последовательного (б) включения, а также гибридного фильтра (в): ИП - источник питания; ИГ - источник гармоник; АФ и ПФ - активный и пассивный фильтры; Т - трансформатор; УФЗТ - устройство формирования задающих токов;  - индуктивное сопротивление сети; Сф - накопительный конденсатор АФ;  - амплитуда тока первой гармоники;  - амплитуды тока источника гармоник;  - амплитуды тока АФ; Uk - выходное напряжение АФ

 

 

         Гибридные фильтры. Установленная мощность АФ весьма значительна, особенно если их использовать для компенсации РМ основной гармоники нелинейных нагрузок и компенсации высших гармоник. Это обусловлено тем, что через АФ последовательного выключения протекает ток нелинейного потребителя, а к АФ параллельного включения прикладывается полное напряжение сети. Так, для шестиимпульсного мостового преобразователя мощность АФ достигает 30 % его активной мощности. Поэтому при больших мощностях нелинейных нагрузок АФ получается очень дорогим и неэкономичным. В таких случаях целесообразнее применять ГФ (рис. 2, в), в которых АФ включаются последовательно или параллельно с ПФ. Пассивный фильтр снижает наибольшие гармоники и компенсирует реактивную мощность, а активный дополнительно уменьшает несинусоидальность кривой тока. Применение таких фильтров особенно перспективно при наличии в спектре тока как высших гармоник, так и интергармоник, что характерно для преобразователей частоты, прокатных станов, Дуговых печей постоянного тока, установок дуговой сварки.

         Благодаря наличию в ГФ активного фильтра можно [8]:

         повысить эффективность фильтрации в статических режимах работы путем коррекции частотной характеристики;

         уменьшить негативное влияние изменения параметров фильтра и отклонения частоты фильтруемой гармоники в процессе эксплуатации;

         исключить явление "антирезонанса" в СЭС на частотах, близких к частоте фильтруемой гармоники;

         демпфировать нежелательные резонансные явления, обусловленные пассивными элементами фильтров;

         снизить уровень гармонических составляющих тока сети, обусловленных различными источниками ВГ.

 

 

         Статические тиристорные компенсаторы. Их применение позволяет комплексно решать проблемы электромагнитной совместимости и компенсации РМ. На промышленных предприятиях получили распространение СТК двух типов: прямой и косвенной компенсации. Наиболее широко они используются в системах электроснабжения с прокатными станами и дуговыми печами переменного тока, что способствует снижению уровня колебаний напряжения и коэффициентов несинусоидальности и несимметрии напряжений, а также повышению cos <р этих электро-приемников. В [6,7, 11] приведены схемы и параметры СТК мощностью до 180Мвар, работающих на четырех металлургических комбинатах - Оскольском, Молдавском, Выксунском и Магнитогорском. Опыт их эксплуатации показывает, что наиболее надежными являются СТК косвенной компенсации.

         Быстродействующие статические компенсаторы реактивной мощности типа СТАТКОМ весьма перспективны при наличии электроприемников с импульсным режимом работы ЭПИ для компенсации РМ и повышения качества электроэнергии (рис. 3) [8 - 10]. Принцип их действия заключается в регулировании напряжения на фильтрующих дросселях L как по амплитуде, так и по фазе за счет изменения напряжения на выходе тиристорного ШИМ-преобразователя.

         Компенсатор СТАТКОМ имеет следующие преимущества перед СТК:

         позволяет генерировать и регулировать поток РМ как емкостного, так и индуктивного характера при одном типе накопителя энергии на стороне постоянного тока;

         более высокое быстродействие;

         более широкие функциональные возможности при управлении выходным током;

         улучшенные удельные массогабаритные показатели.

         Следует отметить, что он является одним из основных при реализации гибких линий.

         Недостаток данного компенсатора - его высокая стоимость.

 

         Список литературы

1.   Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. - М.: Энер­гоатом издат, 2004.

2.   Добрусин Л. А. Широкополосные фильтрокомпенсирующие устройства для тиристорных преобразо­вателей. - Электричество, 1985, № 4.

3.   Железко Ю. С. Потери электроэнергии. Реактив­ная мощность. Качество электроэнергии. Руково­дство для практических расчетов. - М.: ЭНАС, 2009.

4.   Вагин Г. Я. Режимы электросварочных машин. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

5.   Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Севостьянов А. А.

Электромагнитная совместимость в электроэнерге­тике: Учеб. для вузов. - М.: Издательский центр "Академия", 2010.

6.   Вагин Г. Я. К вопросу об экономической целесо­образности применения на промышленных пред­приятиях сверхмощных дуговых печей. - Про­мышленная энергетика, 2009, № 2.

7.   Вагин Г. Я., Севостьянов А. А., Юртаев С. Н. Вы­бор типа и параметров фильтрокомпенсирующих устройств в электрических сетях с дуговыми печа­ми. - Промышленная энергетика, 2009, № 11.

8.   Розанов Ю. К. Основные этапы развития и совре­менное состояние силовой электроники. - Элек­тричество, 2005, № 7.

9.   Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009.

10. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в элек­трических сетях / Пер. с англ. - М.: Додэка-ХХ1, 2008.

11. Применение регулируемых компенсирующих уст­ройств в системах электроснабжения металлурги­ческих предприятий / А. С. Карандеев, Г. П. Кор­нилов, А. А. Николаев и др. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2010.

12. Вагин Г. Я., Головкин Н. Н., Юртаев С. Н. К во­просу об экономической целесообразности приме­нения синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности на промышленных пред­приятиях. - Промышленная энергетика, 2009, № 6.