Меню

Полупроводниковые устройства компенсации реактивной мощности

Технологии компенсации реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности – это управление реактивной мощностью для повышения производительности сети переменного тока. В общем, проблема компенсации реактивной мощности связана с поддержкой нагрузки и напряжения. В дополнении целей, повышение значения коэффициента мощности системы для сбалансирования реальной мощности от сети переменного тока, усиление регулирования напряжения, а также устранение гармонических составляющих крупных колебаний нелинейных промышленных нагрузок. Поддержание напряжения, как правило, требуется для уменьшения колебания напряжения в линии электропередачи передачи. Компенсация реактивной мощности повышает стабильность системы переменного тока за счет увеличения максимальной активной мощности, которая может быть передана.

Принцип работы

Продольная и поперечная компенсации реактивной мощности используются для изменения естественных электрических характеристик систем переменного тока. Последовательная компенсация изменяет параметры передачи или системы распределения, в то время как поперечная компенсация изменяет эквивалентное сопротивление нагрузки. В обоих случаях, реактивной мощностью, которая течет через систему, можно эффективно управлять, повышая производительность системы в целом.

Поперечная компенсации реактивной мощности

Принципы и теоретические основы поперечной компенсации реактивной мощности будут объяснены ниже. Базовая система переменного тока состоит из источника питания VS, сопротивления линии с сопротивлением R + jX, и типично индуктивной нагрузкой VL (рис. 1). В системе без компенсации, ток источника IS и ток нагрузки IL одинаковы, потому что нагрузка, как правило, индуктивная, и ток отстает от напряжения нагрузки VL. Сдвиг характеризуется углом φ. В результате, источник питания должен генерировать полный ток нагрузки, поддержание высокого уровня тока источника от генератора и через линии электропередачи означает увеличение потерь мощности и снижение возможности передачи электроэнергии. Ток нагрузки IL можно разделить на две составляющие: IP, которая находится в фазе с VL и создает реальную мощность (активная мощность), и IQ, который отстает от напряжения VL на 90° и создает реактивную мощность. Тогда источник VS может генерировать только реальный составляющую IP , а IQ может быть создан около нагрузки устройством компенсации реактивной мощности.

Принципы поперечной компенсации

Рисунок 1 – Принципы поперечной компенсации: (а) – системы без компенсации реактивной мощности, (б) – системы, которая использует поперечную компенсацию реактивной мощности. Схема, векторная диаграмма тока и напряжения приведены в каждой части рисунка

Если реактивная мощность (мнимая мощность) генерируется около нагрузки, то ток от источника уменьшается или сводится к минимуму, что снижает потери мощности и улучшает регулирование напряжения на нагрузке. Поперечную компенсацию можно осуществить тремя способами: с помощью конденсатора, источника тока или источника напряжения. В результате, система регулирования напряжения улучшается, и величина тока, требуемая от источника, уменьшается.

Продольная компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности может быть также другого типа. Типичные системы поперечной компенсации используют конденсаторы для уменьшения эквивалентной реактивности составляющей питающей сети при номинальной частоте (рис. 2). Таким образом, последовательно включенный конденсатор C генерирует реактивную мощность, которая уравновешивает часть реактивного сопротивления линии. Это происходит вследствие резонанса напряжений в конденсаторе и индуктивности, направленных встречно (под углом 180°). Разрядник и варистор используются, чтобы избежать разрушения конденсатора С от перенапряжений.

Продольная компенсация с защитой

Рисунок 2 – Продольная компенсация с защитой

Технологии

Традиционно для компенсации реактивной мощности используются фиксированные или механически переключаемые конденсаторы или катушки индуктивности, или синхронные компенсаторы. Тем не менее, в последние несколько десятилетий появились два новых семейства генераторов реактивной мощности с использованием силовой электроники: статические тиристорные компенсаторы и самостоятельно коммутируемые статические преобразователи.

Статические тиристорные компенсаторы

Как и в случае синхронных компенсаторов, в целях обеспечения точного контроля над всей реактивной мощностью, регулирование компенсатора было выполнено на тиристорах, преимущество которых заключается в быстром времени отклика и снижении затрат. Компенсаторы состоят из стандартных генераторов реактивной мощности (реакторов и конденсаторов), которые управляются с помощью тиристоров для обеспечения быстрого переключения реактивной мощности. Эти компенсаторы могут быть сгруппированы в две основные категории: тиристорно-коммутируемые конденсаторы (ТКК) и тиристорно-управляемые реакторы (ТУР).

В ТКК ступенчато-регулируемые конденсаторы индивидуально переключаются помощью двунаправленных тиристорных переключателей. Каждое однофазное отделение состоит из двух основных частей, конденсаторов и пары тиристорных коммутаторов. Конденсатор может быть включен с минимальной выдержкой, если тиристор включен в тот момент, когда напряжение на конденсаторе и напряжение сети имеют одинаковые значения. Несмотря на привлекательную теоретическую простоту тиристорно-переключаемых конденсаторов, их популярности препятствует ряд практических недостатков: компенсация реактивной мощности не является непрерывной, и каждый из конденсаторов требует отдельного переключателя-тиристора. Поэтому строительство экономически нецелесообразно.

Читайте также:  Скутер хонда теряет мощность

ТУР использует двунаправленный переключатель, реализованый с помощью пары противоположно связанных тиристоров, в серии с L индуктивностью и шунтирующим конденсатором C (рис. 3). Поскольку используется фазовый угол для управления, получается непрерывный спектр потребления реактивной мощности. При увеличении угла тиристорного пропускания от 90° до 180° — ток реактора уменьшается. Это эквивалентно увеличению индуктивности, т.е. снижению реактивной мощности, потребляемой реактором. Основным недостатком этой конфигурации является генерация гармоник, которые заставляют реализовывать более сложной топологии (с пассивными фильтрами, с помощью дельта-соединения или двенадцати-импульсный конфигурации).

Тиристорно-управляемые реакторы (ТУР)

Рисунок 3 – Тиристорно-управляемые реакторы (ТУР)

Тиристоры используются также для продольной компенсации. Тиристорно-управляемый продольный компенсатор (ТУПР) представляет собой технологию, которая устраняет определенные проблемы в динамических системах передачи электроэнергии (рис. 4). ТУПР являются отличным инструментом демпфирования при соединении больших электрических систем. Кроме того, они уменьшают проблемы подсинхронного резонанса – явление, которое включает в себя взаимодействие между крупными энергоблоками ТЭС и компенсацией систем передачи.

Тиристорно-управляемый продольный компенсатор (ТУПР).

Рисунок 4 – Тиристорно-управляемый продольный компенсатор (ТУПР)

Самокоммутируемые преобразователи

С развитием силовых полупроводниковых приборов (биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT) внимание было сосредоточено на коммутации компенсаторов реактивной мощности. Возможно несколько подходов, включающие источник тока и напряжения. Инвертор источника тока использует реактор с регулируемым постоянным током, а источник напряжения использует конденсатор с регулируемым напряжением постоянного тока. В самостоятельно коммутируемых компенсаторах реактивной мощности также применяется преобразователь напряжения (рис. 5).

Cамокоммутирующийся преобразователь напряжения на IGBT транзисторе

Рисунок 5 – Cамокоммутирующийся преобразователь напряжения на IGBT транзисторе

Основными преимуществами собственной коммутацией компенсаторов реактивной мощности является значительное сокращение размера, стоимости и гармонических искажений. Самокоммутируемые компенсаторы для стабилизации систем передачи электроэнергии улучшают регулирование напряжения, обеспечивают правильный коэффициент мощности, а также правильный дисбаланс нагрузки. Кроме того, они могут быть использованы для реализации продольной и последовательной компенсации. Рисунок 6 показывает возможности поперечных компенсаторов реактивной мощности, реализованных с помощью самостоятельной коммутации на преобразователе напряжения. Управление реактивной мощностью осуществляется путем изменения амплитуды выходного напряжения Vmod, которое изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 6 (а)). При Vmod больше напряжения на компенсаторе Vcomp, компенсатор генерирует реактивную мощность (рис. 6 (б)), а при Vmod меньше, чем Vcomp, компенсатор реактивной мощности потребляет энергию (рис. 6 (с)). Его принцип работы схож с синхронной машиной. Ток компенсатора может быть опережающим или отстающим, в зависимости от относительной амплитуды Vcomp и Vmod. Напряжение на конденсаторе VD, подключенного к цепи постоянного тока преобразователя, остается постоянным и равным эталонной величине V, реализуемое контуром управления обратной связью.

Топология самокоммутируемого поперечного компенсатора реактивной мощности

Рисунок 6 – Ток и напряжение источника, самокоммутируемого поперечного компенсатора реактивной мощности; (а) – топология компенсатора; (б) – ток и напряжение для опережеющей компенсации (Vmod > Vcomp); (с) – ток и напряжение для отстающей компенсации (Vmod

Источник

Полупроводниковые устройства компенсации реактивной мощности

Статические тиристорные компенсаторы ТКРМ

Статические тиристорные компенсаторы ТКРМ предназначены для плавного или ступенчатого изменения реактивной мощности. Однолинейная схема устройства ТКРМ приведена на рисунке ниже.

Применение ТКРМ

На предприятиях черной и цветной электрометаллургии применение ТКРМ позволяет:

  • повышать коэффициент мощности;
  • подавлять токи гармонических составляющих, генерируемых оборудованием;
  • снижать требования к мощности к.з. питающей сети;
  • симметрировать токи фаз;
  • подавлять фликкера;
  • стабилизировать напряжения на печи, что позволяет повышать производительность и снижать эксплуатационные затраты за счет уменьшения расхода электродов и увеличения межремонтного периода эксплуатации печей.

Применение устройств ТКРМ во внутренних сетях предприятий позволяет:

  • непрерывно поддерживать заданный коэффициент мощности;
  • непрерывно стабилизировать напряжения в точке присоединения;
  • подавлять несимметрии;
  • фильтровать гармоники.

Применение устройств ТКРМ в электросетях позволяет:

  • гибко управлять сетью;
  • непрерывно стабилизировать напряжения в точке присоединения;
  • повышать пропускную способности сетей по активной мощности;
  • снижать потери в распределительных сетях;
  • повышать устойчивости сети;
  • демпфировать колебания, возникающие в системе при возмущающих воздействиях (сброс / наброс нагрузки, кратковременные к.з. и т.п.).
Читайте также:  Мотокультиватора крот не развивает мощность

Применение устройств ТКРМ на электротранспорте позволяет:

  • симметрировать напряжение фаз путем перераспределения активной нагрузки между ними;
  • подавлять токи гармонических составляющих;
  • повышать коэффициент мощности;
  • повышать качество электроснабжения систем автоматики
    и других смежных отраслевых потребителей и прилегающих сетей;
  • повышать устойчивость работы сети.

Основными составными частями устройств ТКРМ являются:

  • тиристорно-реакторная группа (ТРГ) с системой жидкостного охлаждения,
  • фильтр высших гармоник (ФВГ),
  • батареи коммутируемых конденсаторов (БКК),
  • система измерения, управления и защит (СИУиЗ).

Однолинейная схема устройства ТКРМ

Статический тиристорный компенсатор серии ТКРМ имеет два исполнения: ТКРМ -1 для прямого подключения к шинам среднего напряжения (до 35 кВ) и ТКРМ — 2, выполненный на базе исполнения ТКРМ -1 и дополненный аппаратурой подключения к шинам высокого напряжения (выше 35 кВ).

Батареи коммутируемых конденсаторов ТКРМ — 2 подключаются к шинам среднего напряжения. Однако при необходимости возможно их подключение и к шинам высокого напряжения, по требованию заказчика или при наличии экономической целесообразности.

Управление устройством ТКРМ осуществляется автоматически СИУиЗ. В СИУиЗ реализованы следующие законы управления — закон поддержания напряжения на шинах подстанции и закон постоянства генерируемой или потребляемой РМ, а также опциональный закон — возможность пофазного управления и формирования токов обратной и нулевой последовательности. Ввод установок осуществляется со встроенного пульта устройства, либо с пульта управления подстанции или диспетчерского пункта по цифровым каналам связи.

Конденсаторы и реакторы устройств ТКРМ имеют климатическое исполнение У1 и могут устанавливаться на открытом воздухе. СИУиЗ и силовые тиристорные блоки вместе с системой жидкостного охлаждения изготавливаются в климатическом исполнении УХЛ4 и устанавливаются в помещении подстанции или специально поставляемом блочно-модульном здании. Исключение составляют агрегаты воздушного охлаждения жидкого теплоносителя, располагаемые на открытом воздухе.

Статические компенсаторы реактивной мощности СКРМ

Статические компенсаторы РМ СКРМ — функциональный аналог устройств серии ТКРМ, но в отличие от них выполнены на полностью управляемых полупроводниковых приборах. Они являются наиболее простыми по конфигурации и функциональному назначению среди устройств силовой электроники, используемых в СЭС и выполненных по схеме инвертора напряжения.

Устройства СКРМ отличаются от устройств ТКРМ:

  • отсутствием зависимости реактивной мощности от напряжения на шинах устройства;
  • примерно в 2 раза меньшими мощностью и габаритами
    фильтров высших гармоник, а, следовательно, и всего устройства;
  • значительно более высоким быстродействием системы компенсации РМ и восстановления напряжения на шинах после различного типа коротких замыканий в СЭС, что актуально для всех потребителей электроэнергии, но в первую очередь — для сетей и ПС, когда при понижении напряжения на шинах 6-35 кВ срабатывает защита от пониженного напряжения.

Основными составными частями устройств СКРМ являются:

  • сетевой реактор,
  • фильтр высших гармоник (ФВГ),
  • силовой полупроводниковый инвертор напряжения (ИН), батарея силовых конденсаторов звена постоянного тока (БСК), сглаживающие реакторы звена постоянного тока (СР), система измерения, управления и защит (СИУиЗ).

Статический компенсатор серии СКРМ имеет два исполнения: СКРМ — 1 для прямого подключения к шинам среднего напряжения (до 35 кВ) и СКРМ — 2, выполненный на базе исполнения СКРМ — 1 и дополненный аппаратурой подключения к шинам высокого напряжения (выше 35 кВ).

Управление устройством СКРМ осуществляется высоконадежной дублированной СИУиЗ. Ввод уставок напряжения, мощности, временных и других параметров осуществляется со встроенного пульта устройства либо с пульта управления подстанции или диспетчерского пункта по цифровым каналам связи.

Схема статического компенсатора реактивной мощности СКРМ

Аппаратура фильтров высших гармоник и конденсаторы звена постоянного тока устройств СКРМ имеют климатическое исполнение У1 и могут устанавливаться на открытом воздухе. СУиЗ и полупроводниковые приборы инвертора напряжения вместе с системой жидкостного охлаждения изготавливаются в климатическом исполнении УХЛ4 и устанавливаются в помещении подстанции или специально поставляемом блочно-модульном здании. Исключение составляют агрегаты воздушного охлаждения жидкого теплоносителя, располагаемые на открытом воздухе.

Читайте также:  Измерение номинального коэффициента мощности

Источник



УКРМ: что это такое и зачем нужны компенсаторы реактивной мощности

Что такое УКРМ

Устройство компенсации реактивной мощности – устройство, поглощающее «лишнее» электричество, не приносящее пользы.

Поток электричества с УКРМ и без установки

Чем мощнее энергопоток по кабелям, тем больше излишков остается из-за колебаний потоков. Результат: износ и перегрев проводов, нецелевые расходы электроэнергии (переплаты), при использовании мощного оборудования повышен риск поломки техники.

Группа «РУСЭЛТ» выпускает приборы для использования в промышленности. В зависимости от условий эксплуатации мы предлагаем различные модели устройств:

  • КРМ-0,4(от 20 до 1000 кВар) – используются для автоматического и ручного регулирования мощности;
  • КРМ-Ф (от 20 до 1000 кВар) кроме компенсации выполняют вторую немаловажную функцию – фильтрации;
  • КРМ-MINI (20, 30, 40 кВар) – управляемые устройства, компенсирующие мощность электричества в сетевых кабелях.

Приборы рассчитаны на промышленную эксплуатацию в умеренных климатических условиях. Полная работоспособность сохраняется в температурном диапазоне -40-+40°С, рекомендованная влажность до 80%.

Конструкция и принцип действия

Агрегат состоит из пяти функциональных блоков:

  • Батарей-конденсаторов, которые соединяются по схеме «треугольник» с разрядными резисторами.
  • Пускателей и дополнительной контактной группы, которые обеспечивают предварительный заряд конденсирующих батарей.
  • Предохранителей, минимизирующих риски поломок из-за резких скачков напряжения.
  • Разъединителя (в некоторых моделях автоматического выключателя).
  • Регулятора коэффициента мощности.

Компенсация реактивной мощности происходит по следующей схеме:

Измерительная система в электронном формате выполняет контроль реактивной и активной энергии (измеряет напряжение токов в сети).

Контроллер (регулятор) проводит замеры мощности, подключая или отключая конденсаторы по мере необходимости. На основании замеров и измерений показания сравниваются с эталонной величиной, при наличии отклонений от заданных параметров устройство переключает аппарат для обеспечения необходимого значения. Проще говоря, УКРМ обеспечивает снижение реактивной энергии при минимальном цикле переключений, чем повышает КПД энергоносителей и снижает риск неисправностей комплектующих электросетей.

Прибор регулярно измеряет расхождение фаз тока и напряжения и меняет свою емкость в зависимости от потребительской необходимости

Как установка помогает экономить деньги?

Установка КРМ, используется в промышленности, при эксплуатации в тандеме
с электродвигателями, которые и являются основными потребителями реактивной мощности. Если «полезная» энергия тратиться на работу мотора, то реактивная приводит к снижению его эксплуатационных преимуществ. например, увеличивается риск преждевременной поломки, чаще нужны остановки оборудования для охлаждения, что отражается на производительности предприятия.

Без УКРМ пользователь платит и за бесполезную энергию

Реактивная доля электричества «гоняется» по проводам, не принося пользы, а из-за ее избытка возникает перегрев, обеспечивается дополнительная нагрузка на сеть и оборудование. Итог: у пользователя двойная потеря – переплата за нецелевую электроэнергию и повышенный риск поломок электрооснащения. А потери и риски сводятся к минимуму без значительных трат – покупкой и установкой УКРМ, И чем больше мощность потребляемой энергии, тем больше выгод от использования компенсатора.

Выгоды использования

Повысить энергоэффективность энергоносителей, свести к нулю вероятность поломок промышленного оборудования помогает установка УКРМ. Причем этот вид компенсации экологичен, ни окружающей среде, ни здоровью человека не наносится какого-либо вреда. К преимуществам использования приборов потребители и специалисты относят:

  • увеличение полезной мощности (КПД электросетей и оборудования до 97%);
  • снижение количества фактически потребленной энергии на 20-30%;
  • увеличение стабильности уровня напряжения;
  • повышение срока безаварийной работы техники;
  • снижение расходов на коммунальные услуги (электроэнергию);
  • уменьшение пропускной способности в электросетях (минимизация риска перегрева и короткого замыкания).

Использование УКРМ в производстве позволяет избежать и таких расходов как штрафы со стороны органов госконтроля.

Компания «РУСЭЛТ» специализируется на производстве современной техники, которая помогает сократить энергетические затраты. Наша задача – удовлетворить запросы потребителей и предоставить устройства, на 100% соответствующие поставленным задачам. В ассортименте УКРМ различной функциональности, конструкции, типа работы, поэтому мы уверены – выбрать прибор с оптимальными характеристиками сможет каждый потребитель.

Источник