Типовые источники эмиссии гармонических возмущений на коммерческих объектах. Источники гармоник на промышленных объектах и их влияние на оборудование и силовую сеть.
На коммерческих объектах – торговые, спортивные центры и комплексы, больницы и центры обработки данных – среди наиболее значимых источников эмиссии гармонических возмущений выделяют высокоэффективное флуоресцентное освещение с электронными балластами, электроприводы (PDS – power drive system) регулируемой скорости для лифтов, транспортеров (эскалаторы, траволаторы), нагрузок отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC – Heating, Ventilation & Air Conditioning) и чувствительное электронное оборудование, питаемое однофазными импульсными источниками питания.
Коммерческие нагрузки (по отдельности) характеризуются сравнительно небольшой (про амплитудам) эмиссией гармонических возмущений, которые могут как взаимно компенсироваться в рамках одной силовой сети, так и усиливаться, суммируясь с гармониками аналогичных частот, в том числе попадающими трансмиссией в сеть конкретного объекта через ТП электросетевой компании.
Источники гармоник на промышленных объектах и их влияние на оборудование и силовую сеть
Для современных промышленных объектов характерно широкое применение мощных нелинейных нагрузок, которые «сами по себе» уже являются проблемными источниками эмиссии гармонических возмущений, а при суммировании с гармониками в сети от других источников (и попадающими в сеть из распределительной сети) становятся критическими, вызывающими не только искажение параметров качества электроэнергии, но и аварийные отключения, остановки процессов, сбои в системах автоматики, выход из строя оборудования и т.д.
Кроме того, на промышленных объектах проблема гармонических искажений усугубляется тем, что эти мощные нелинейные нагрузки (по отдельности, а особенно при группировке) de facto при эксплуатации, т.е. реальном режиме работы (при разной нагрузке в смену, сутки) имеют довольно низкий коэффициент мощности. Так, например:
- коэффициент мощности, по сути, определяется потерями, а ГОСТ IEC 61800-9-2 устанавливает их расчетное значение в 15% для электродвигателей номинальной мощности в пределах до 90 кВт, но уже четверть (25%) для двигателей мощностью от 90 кВт;
- ГОСТ IEC 61800-9-2-2021 определяет для электроприводов с преобразователями частоты расчетные формулы, потери и базовые значения для расчетов (в случае использования стандартизированных компонентов и электроприводов в целом).
Из таблицы ниже видно, что коэффициент мощности уменьшается при снижении мощности преобразователя, но более значительно – при уменьшении нагрузки (работе при 75, 50 и тем более 25% от номинального значения выходного параметра).
Таблица. Коэффициент мощности электропривода в зависимости от загрузки (моменто-образующего тока электродвигателя) (по ГОСТ IEC 61800-9-2-2021).
| Моменто-образующий | cosϕ в зависимости от выходной мощности преобразователя на фундаментальной частоте*Iф.вых*Uф.вых | ||||
| ток, % | От 0,278 кВА(0,12 кВт) до<1,29 кВА(0,75 кВт) | От 1,29 кВА(0,75 кВт) до<7,94 кВА(5,5 кВт) | От 7,94 кВА(5,5 кВт) до<56,9 кВА(45 кВт) | От 56,9 кВА(45 кВт) до<245 кВА(200 кВт) | От 245 кВА(200 кВт) до<1209 кВА(1000 кВт) |
| 25 | 0,34 | 0,38 | 0,49 | 0,54 | 0,57 |
| 50 | 0,51 | 0,60 | 0,71 | 0,75 | 0,78 |
| 75 | 0,64 | 0,72 | 0,80 | 0,83 | 0,85 |
| 100 | 0,73 | 0,79 | 0,85 | 0,86 | 0,87 |
Здесь не стоит забывать и о том, что IEEE Std 1459 (в действующей версии) определяет коэффициент мощности (PH), как отношение всей активной к всей полной мощности (на фундаментальной и нефундаментальных частотах – Р1, РH, S1, SN в формуле ниже).
Т.е. типовой расчет cosϕ только по отношению мощностей на фундаментальной частоте в текущих условиях силовых сетей с значительными объемами нелинейной нагрузки по меньшей мере технически некорректный и не должен использоваться.
Наряду с этим на промышленных объектах, хотя и в большинстве случаев для ухода от рисков штрафных санкций, используются конденсаторные батареи для повышения коэффициента мощности, которые потенциально могут увеличивать гармонические токи от нелинейных нагрузок, что приводит к возникновению резонансных условий, в том числе внутри самих установок.
Самый высокий уровень искажения напряжения обычно возникает на низковольтной шине объекта, где типично используется схема централизованной компенсации реактивной мощности, а параллельные резонансы в сети вызывают перегрев электродвигателей, трансформаторов, неправильную работу чувствительного электронного оборудования, сбои в системах автоматического (или же автоматизированного) управления и пр.
Наиболее «проблемные» нелинейные нагрузки в силовой сети промышленных объектов можно сгруппировать в три категории: трехфазные преобразователи мощности, в том числе электроприводы с комплектными частотными преобразователями, дуговые нагрузки (печи, аппараты для дуговой сварки и системы освещения (люминесцентное, натриевое, ртутное) с магнитным, не электронным баластом) и насыщаемые устройства (трансформаторы, электродвигатели и пр.).
Особенности таких источников эмиссии гармоник на коммерческих и промышленных объектах будут рассмотрены в следующих материалах цикла.
