Характерной особенностью сетей электропитания, как общего назначения, так и промышленных, является обилие потребителей электроэнергии, представляющих собой нагрузку резко нелинейного характера. Ток потребления таких устройств значительно отличается от синусоидального, то есть содержит в своем составе большое количество гармонических составляющих высшего порядка. Кроме того, токи потребления многих устройств могут значительно изменяться в короткие промежутки времени, оказывая влияние на величину действующего напряжения и симметрию фаз питающей сети. К основным факторам, оказывающим влияние на качество напряжения питающей сети, принято относить следующие:
- процессы коммутации тока при переключениях силовых полупроводниковых приборов в выпрямителях, ведомых сетью инверторах, преобразователях частоты, генераторах импульсов и т.п.;
- ударные изменения нагрузки преобразовательных устройств, например — при работе сварочных установок, печей, металлургических приводов и т.п.
Механизм искажений питающего напряжения потребителя электроэнергии связан с провалами или всплесками падения напряжения на индуктивном сопротивлении питающей сети, возникающими при резком изменении тока других потребителей, питающихся в той же точке подключения. Качество питающего напряжения сетей РФ строго регламентируется ГОСТ 13109-97, в том числе и в отношении нелинейных искажений. Однако на практике, в промышленных сетях со значительным количеством полупроводниковых преобразователей, несинусоидальность режима сети может выходить за пределы ограничений. Рис. 1 иллюстрирует реальную кривую однофазного переменного напряжения промышленной сети.
Рис.1. Реальная форма напряжения при нелинейной нагрузке
На практике принято анализировать гармонический состав напряжения сети в отношении нечетных гармоник от 1-й до 13-й. Однако и составляющие более высоких порядков так же могут оказывать существенное влияние на показатели работы потребителей. В таблице показано примерное процентное содержание гармоник искажения для двух видов сетей.
| Номер гармоники | 3 | 5 | 7 | 11 | 13 | 17 | 19 | 23 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Промышленная сеть | Низкое напряжение, % | 5 | 8 | 8 | 4,8 | 4,8 | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
| Среднее напряжение, % | 3 | 4,8 | 4,8 | 2,9 | 2,9 | 1,5 | 1,5 | 1,3 | |
| Сеть общего назначения | Низкое напряжение, % | 2 | 3 | 3 | 2 | 2 | 0,8 | 0,8 | 0,4 |
| Среднее напряжение, % | 1,4 | 2,1 | 2,1 | 0,8 | 0,8 | 0,4 | 0,4 | 0,2 | |
Содержание составляющих исчислено по отношению к величине эффективного напряжения. Таблица содержит типичные значения, однако при некоторых видах потребителей они могут сильно увеличиваться: например, при некоторых режимах работы сварочных устройств составляющие 5-й и 7-й гармоник могут увеличиваться в несколько раз.
Появление высших гармонических в составе напряжения питания обуславливает целый ряд негативных явлений в потребителях электроэнергии:
- повышенный нагрев за счет повышения сопротивления обмоток электроустановок при проявлении скин-эффекта — общие потери могут увеличиваться на величину от 5% до 12%; суммарные потери только на 5, 7 и 11 гармониках могут достигать 2-4 % номинальных;
- быстрая потеря механических и диэлектрических свойств изоляции электромашин и аппаратов из-за повышенного нагрева;
- перегрев и снижение ресурса конденсаторных батарей из-за перегрузки их резонансными токами, возникающими на частотах гармонических составляющих;
- погрешность индукционных счетчиков учета э/энергии и других подобных измерительных приборов может увеличиться до 10%, что совершенно недопустимо на практике;
- неправильные действия защитных реле, отказы систем автоматики, диспетчеризации и сетевой связи;
- уменьшение производительности и снижение качества продукции установок электролиза и пр.
При относительно небольших значениях коэффициента содержания гармоник (8,5-10 %) в напряжении сети, помимо организационных мероприятий хорошие результаты дает применение сетевых дросселей (реакторов). Это индуктивности, включаемые последовательно перед потребителем электроэнергии, сглаживающие кривую протекающего тока. Физический смысл такого приема состоит в том, что между сетью и преобразователем частоты, появляется демпфирующий накопитель энергии, способствующий более мягкому протеканию процессов при резко переменной нагрузке. В таких случаях потребитель недоиспользуется по напряжению питания на величину от 3% до 6%. При этом, однако, применение сетевых дросселей для преобразователей частоты позволяет получить ряд выгод:
- снижает влияние преобразователя частоты на сеть — форма напряжения в точке подключения максимально приближается к синусоидальной, исключая, тем самым, влияние на других потребителей;
- защищает преобразователь от выбросов и провалов питающего напряжения и наводок на цепи управления и защиты;
- защищает батарею конденсаторов в звене постоянного тока от воздействия резонансных токов, увеличивая его срок службы;
- существенно ограничивает величину и скорость нарастания аварийных токов (короткого замыкания), тем самым защищая силовые полупроводниковые приборы от теплового разрушения и снижая требования к быстродействию цепей защиты.
По некоторым данным, эти свойства позволяют повысить надежность работы преобразователей частоты до 5 – 7 раз.
Существенным свойством применения сетевых дросселей является то, что в случаях множественных подключений нескольких потребителей в одной точке сети (например — для многодвигательных приводов рольгангов и др.) при известных их характеристиках и ограничениях на качество напряжения в точке подключения, можно рассчитать необходимые сетевые дроссели для всех параллельных потребителей. Тем самым обеспечить соответствие качества напряжения сети действующим стандартам и исключить взаимное влияние преобразователей одного на другой.
Некоторые модели преобразователей частоты всегда, без исключения, должны использоваться с сетевыми дросселями. Важным обстоятельством является то, что в случаях, когда выход преобразователя частоты из строя обусловлен влиянием некачественного напряжения сети или импульсными перенапряжениями, компания-поставщик не принимает на себя гарантийные обязательства. Все потери материального характера ложатся на потребителя.
