Коэффициент мощности электропривода

Анализ полученных результатов обследования

На предприятии нужно было выбрать компенсирующую установку для увеличения коэффициента мощности

Но перед её покупкой было решено обратить внимание на гармоники

В ГОСТ 13109-97 указан допустимый уровень гармонических искажений по напряжению, равный 8%. По проведенным измерениям, этот уровень не превышен. Однако, при увеличении мощности в 5 раз можно ожидать увеличение процента гармоник (THD) в то же количество раз. Следовательно, возможно увеличение коэффициента гармоник с 2,3 % до 11,5 %.

Однако, по рекомендациям производителей для безопасной эксплуатации батарей конденсаторов установок стандартного исполнения уровень THD не должен превышать 2 %. При этом уровень гармоник тока не учитывается и ГОСТом не регламентируется.

Следовательно, необходимо применять совместно с конденсаторными установками фильтры высших частот (фильтрокомпенсирующие устройства).

Мощность трехфазного тока

Предыдущая | Содержание | Следующая >>§ 64. МОЩНОСТЬ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

Мощность, потребляемая нагрузкой от сети трехфазного тока, равна сумме мощностей, потребляемых отдельными фазами, т. е.

При равномерной нагрузке мощность, потребляемая каждой фазой,

где Uф — фазное напряжение,

Iф — фазный ток,

cos j — коэффициент мощности нагрузки.

Мощность, потребляемая всеми тремя фазами,

При соединении приемников энергии звездой соотношение меж­ду линейными и фазными значениями напряжений и токов:

Следовательно, мощность, потребляемая нагрузкой от трехфазной

При соединении приемников энергии треугольником соотношение между линейными и фазными значениями напряжений и токов:

Следовательно, мощность, потребляемая нагрузкой,

Таким образом, при равномерной нагрузке мощность, потребляе­мая от трехфазной сети, независимо от схемы включения нагрузки, выражается следующей формулой:

Пример.

Линейное напряжение трехфазной осветительной установки равно 220 в, а линейный ток 9,9 а. Определить, сколько ламп включено параллельно в каждую фазу нагрузки при соединении этих фаз треугольником и какова мощность всей установки, если каждая лампа потребляет ток 0,52 a. Решение. Фазное напряжение равно линейному, т. е

Фазный ток

Число ламп, включенных параллельно в каждой фазе,

,

т. е. всего включено ламп

Мощность всей установки, имея в виду, что при осветительной нагрузке cos j=1, находим по следующей формуле:

При неравномерной нагрузке мощности в фазах различный (PAPBPC) и суммарная мощность, потребляемая нагрузкой, равна:

Для измерения мощности применяют специальные измерительные приборы, называемые ваттметрами. При симметричной нагрузке мощность, потребляемая от трехфазной системы, может быть определена одним однофазным ваттметром. В четырехпроводной системе (с нулевым проводом) токовая обмотка ваттметра включается последовательно в один из линейных проводов, а обмотка напряжения — между тем же линейным и нулевым проводами. При таком включении показание ваттметра определит мощность в одной фазе Рф, а так как при равномерной нагрузке мощности всех фаз одинаковы, то суммарная мощность трехфазной системы Р = 3 Рф.

В трехпроводной системе обмотка напряжения ваттметра включена на линейное напряжение сети, а по токовой его обмотке протекает линейный ток. Поэтому мощность трехфазной системы в раз больше показания ваттметра Pω, т. е. Р=Рω.

При несимметричной нагрузке одного ваттметра для определений мощности трехфазной системы недостаточно.

В четырехпроводной системе при несимметричной нагрузке необходимо включение трех ваттметров, обмотки напряжений которых включаются между нулевым и соответствующим линейным проводом. Каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы и суммар­ная мощность трехфазной системы равна сумме показаний трех ваттметров, т. е. Р = Р1 + Р2 + Р3.

В трехпроводной системе при несимметричной нагрузке наиболее часто используют схему двух ваттметров, которая не может быть использована в четырехпроводной системе. В схеме двух ваттметров обмотки напряжений каждого ваттметра соединены с входным зажимом обмотки тока и линейным проводом, оставшимся свободным. Полная мощность трехфазной системы равна сумме показа­ний ваттметров, т. е. Р=Р1+Р2

В лабораторной практике для этой схемы измерения мощности применяют один ваттметр и специальный переключатель, который без разрыва цепи тока дает возможность включать этот ваттметр как в один, так и в другой линейный провод.

При больших углах сдвига фаз между напряжением и током по­казания одного из ваттметров могут оказаться отрицательными и для измерения мощности необходимо изменить направление тока в обмотке тока, переключив ее. В этом случае суммарная мощность равна разности показаний ваттметров, т. е. Р = Р1 — Р2.

Энергия в трехфазной системе измеряется как однофазными, так и трехфазными счетчиками электрической энергии. Включение одно­фазных счетчиков в трехфазную сеть подобно включению ваттмет­ров, описанному выше.

Трехфазные счетчики составляются из двух или трех однофаз­ных, размещенных в одном корпусе и имеющих общий счетный ме­ханизм, и называются соответственно двухэлементными и трехэле­ментными. В трехпроводной системе (без нулевого провода) при­меняют двухэлементные, а в четыре проводной системе (с нулевым проводом) —трехэлементные счетчики. Схема включения счетчика электрической энергии указывается на съемной крышке, которой закрывается панель зажимов.

Предыдущая | Содержание | Следующая >>

Частотные преобразователи

Сегодня асинхронным двигателем управляют с помощью преобразователя частоты. Частотный преобразователь прошел определенную историю развития. Сначала использовались тиристорные схемы. Эти схемы имели множество недостатков, которые сдерживали развитие преобразователей, хотя довольно активно применялись, особенно для мощных двигателей. Когда появились MOSFET, а затем и IGBT транзисторы, рынок преобразователей, как принято говорить “взорвался”. Средняя стоимость преобразователя частоты начала падать и сегодня частотник можно купить даже для бытовых целей за несколько тысяч рублей.

К моменту появления IGBT было предложено и испытано множество топологий силовой части и способов управления для преобразователя частоты. Преобразователи делятся на прямые и двухзвенные ДПЧ. Прямые – непосредственно передают энергию к двигателю: например, циклоконвертор, матричный конвертор. Большим недостатком этих преобразователей является значительное число ключей и большая сложность управления ими. Они применялись, в основном, в тиристорную эпоху.

Двухзвенная схема преобразователя частоты содержит трехфазный инвертор, получающий питание от источника постоянного тока или напряжения. Следовательно, она требует выпрямитель, каковой и является еще одним звеном. Эти преобразователи более перспективные, так как позволяют осуществить рекуперацию на переменном токе, а это, пожалуй, было бы окончательным решением проблемы электропривода. Этот важный вопрос поясняет следующий рисунок:

Коэффициент мощности электропривода

На рисунке показан инвертор тока. Он питает двигатель и конденсаторы в его цепи. Дроссели в звене постоянного тока ограничивают помехи. Конденсаторы сглаживают пульсации тока ШИМ. Инвертору тока требуется управляемое выпрямляющее звено для регулирования напряжения и управления током в промежуточном звене. В выходном инверторе используются запираемые тиристоры IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor). Это довольно новый вид приборов, промышленность еще не имеет большого опыта их применения, но разработчики интересуются их возможностями. IGCT – довольно сложная штука:

Коэффициент мощности электропривода
так как содержит драйвер непосредственно рядом с прибором. На рисунке показан прижимной вариант. Можно заметить множество конденсаторов на плате – это требуется для повышения быстродействия управляющего электрода. Частота переключения – порядка единиц кГц. Это уже подходит для преобразователя частоты. Инвертор тока может не гасить энергию на тормозных резисторах, а возвращать ее в питающую сеть.

Но наиболее часто используются инверторы напряжения. Их выпрямляющее звено выполняется на диодах, а инвертор – на транзисторах IGBT, зашунтированными диодами, включенными в обратном направлении. Звено постоянного тока содержит конденсаторы и дроссель для сглаживания пульсаций. Инвертор напряжения имеет довольно много вариантов. Дело в том, что для эффективного регулирования мощных двигателей в звене постоянного тока преобразователя частоты приходится использовать высокое напряжение, а для этого приходится использовать многоуровневые схемы инверторов, чтобы поделить напряжение между приборами и избежать их пробоя. Существуют схемы: трехуровневая, с фиксированной средней точкой; каскадные с большим, чем три, числом уровней; схемы с плавающими конденсаторами. Большинство продаваемых преобразователей выпускают по простой схеме для трехфазных двигателей малой и средней мощности, работающих в сетях 50-60 Гц 0,4 кВ.

Схема частотного преобразователя помещается в небольшой коробке, размером с обувную, для преобразователей частоты небольшой мощности, а мощные высоковольтные преобразователи для больших двигателей могут занимать несколько металлических шкафов.

Коррекция коэффициента мощности

Он уменьшается посредством работы трансформаторов, систем освещения и двигателей асинхронного типа. Увеличить показать, то есть корректировать его к высокому углу, получается при помощи конденсаторов, двигателей асинхронного типа и генераторов. Поэтому они устанавливаются как дополнения в стандартную цепочку. Популярные методики коррекции:

  • установка конденсатора — параметры реактивной уменьшаются, то по формуле приводит к увеличению значения;
  • установка малой нагрузки — получить результат возможно при работе двигателей асинхронного типа;
  • выбор безопасных условий работы — не допуск к работе, если показатели номинального напряжения повышены;
  • своевременное проведение плановых отслуживающих работ — нагрузка определяет время работы, внимательно относиться стоит к оборудованию, которое постоянно работает при высоких показателях номинального напряжения.

Норматив и толкование значения

У КИМ нет нормативных значений. В каждом отдельно взятом случае будут свои границы желаемой эффективности, тем более, если речь идет о человеческих ресурсах. Однако по значению показателя можно сделать определенные выводы:

  • низкое значение говорит о неэффективном управлении и нерациональном подходе к организации внутренних процессов на предприятии. Для улучшения положения необходимо вовлекать дополнительное оборудование и менять схему работы;
  • при значении коэффициента более 0,7 (70% эффективности) можно повысить производительность собственными силами без привлечения дополнительных ресурсов;
  • показатель, равный 1 (100%), свидетельствует о полной загруженности ресурсов, и для увеличения объемов производства нужно дополнительное оборудование.

В западных странах хорошим показателем является величина обобщенного коэффициента 80-82%. Можно использовать эти данные для сравнения КИМ в целом по предприятию.

Значение коэффициента не может быть более 100. В противном случае необходимо будет повышать производительность оборудования на единицы времени или пересматривать сменность работ.

Важно! На значение КИМ могут влиять внешние факторы, такие как волантильность спроса, появление новых конкурентов, форс-мажорные обстоятельства. Чтобы оставаться конкурентоспособным, предприятию следует постоянно совершенствовать свою работу, улучшать и обновлять оборудование, повышать производительность труда

Расчёты основных параметров асинхронного электродвигателя

Активная мощность тратится на выполнение полезной работы и создание тепла. Обозначается буквой «P», измеряется в W и вычисляется:

P=I*U*cosφ.

Реактивная мощность создаётся колебаниями энергии электрического поля. Она обуславливает способность деталей реактивной машины сохранять и излучать электромагнитную энергию. Речь идёт о токе, который заряжает конденсатор или создает магнитное поле вокруг витков обмотки катушки. Обозначается буквой «Q», измеряется в Var и рассчитывается:

Q=I*U*sinφ.

Полная мощность «S» представляется математической комбинацией по формуле теоремы Пифагора: S*S = Q*Q + P*P. Она измеряется в V*A и вычисляется:

S = P / cosφ = √(P 2 + Q 2 )=I*U.

Реактивную мощность трехфазного асинхронного двигателя можно представить суммой двух составляющих: индуктивной и емкостной.

Лучшее представление данной величины может быть получено в виде векторной диаграммы, индуктивная составляющая – это положительная координата на оси Y, емкостная – отрицательная. Очевидно, что эти два значения несколько компенсируют друг друга, составляя координату вектора, которая будет либо положительной, либо отрицательной. Чем меньше угол между ними, тем полная мощность становится ближе к активной.

Коэффициент мощности cosφ для трёхфазного асинхронного двигателя равен 0,8–0,9. Если его необходимо увеличить, то довольно часто добавляют конденсаторы в цепи двигателя. Функция этих конденсаторов заключается в том, чтобы обеспечить намагничивающий ток, снижающий амплитуду реактивной составляющей. Чем выше cosφ, тем меньше электромашина потребляет энергии.

Принцип действия

Существует несколько вариантов построения схемы Виенна-выпрямителя, и материал статьи можно распространить на все разновидности устройства, однако представляет интерес решение, приведенное на рис. 1,а . Нулевой провод сети может отсутствовать. Реализация двухпроводящего ключа показана на рис. 1,б.

Коэффициент мощности электропривода

Рис. 1.

Функционирование Виенна-выпрямителя напоминает работу однофазного корректора коэффициента мощности на базе повышающего регулятора постоянного напряжения. При подключении устройства к сети конденсаторы C 1 = Си C2 = С на стороне постоянного тока заряжаются до напряжения, большего амплитуды фазного напряжения:

,
причем

.
При

,
где  θ = 2πfсетиt, и замкнутом ключе S1 к дросселю LA приложено напряжение uA— u > 0 и ток iA нарастает. Напряжение между средними точками сети и конденсаторов обозначено u. При отключении S1 ток дросселя замыкается через диод V1, и к дросселю приложено u A — u — uC1 < 0, ток дросселя iA падает. На второй половине периода процессы развиваются аналогично. При uA < 0 и проводящем ключе S1 к дросселю LA приложено напряжение uA— u < 0, и ток в нем спадает.

Чередуя моменты включения и выключения S1 с высокой частотой коммутации fк =Axfсети, можно получить требуемую форму сетевого тока iA. Основная гармоника тока имеет нулевой сдвиг фазы относительно фазного напряжения uA. Подобным же образом формируются токи фаз iB и iC .

Для получения синусоидального синфазного тока сетевого тока необходимо и достаточно, чтобы к дросселям были приложены напряжения, основная гармоника которых равна :

Коэффициент мощности электропривода

Здесь kр— коэффициент регулирования, пропорциональный мощности нагрузки. При использовании системы управления, реализующей слежение по сетевому току, зависимости (1) формируются автоматически.

Активная мощность нагрузки при пренебрежении потерями определяется выражением

Коэффициент мощности электропривода
 — основная гармоника сетевого тока.

Схему на рис. 1а можно заменить схемой замещения на рис. 1в. Формируемые выпрямителем напряжения на стороне постоянного тока обозначены uвA, uвB и uвC. Действующее значение основной гармоники напряжений uвопределяется с учетом (1):

Расчет коэффициента мощности

Моделирование Виенна-выпрямителя проведено модифицированным спектральным методом . На рис. 2а-в приведены форма сетевых напряжения uA и тока iA, напряжения uвA* = uвА – u , формируемого выпрямителем, а также напряжение u. Для наглядности диаграмм частота коммутации выбрана весьма низкой — 1,8 кГц (А = 36).

Коэффициент мощности электропривода

Рис. 2.

Напряжение uв*, как видно из диаграммы, формируется по принципу однополярной широт-но-импульсной модуляции (ШИМ). Разложение напряжения uв* в ряд Фурье приведено на рис. 2г. Спектр при A > 30 содержит обширную область частот (от n = 1 до n = A — 7), свободную от гармоник. Результаты модельного эксперимента позволили установить, что амплитуда высших гармоник Сn с номерами n = A- i, где i = 1,3, 5… практически не зависит от частоты коммутации и коэффициента регулирования kр. При увеличении коэффициента kUвысшие гармонические составляющиеувеличиваются.

Спектрсодержит ряд близко расположенных гармонических составляющих вблизи частоты коммутации, которые при расчетах могут быть заменены одной эквивалентной гармоникой с действующим значением

и частотой A×fсети. Коэффициент гармоник определяется выражением

В таблице 1 приведены значения k г в различных режимах.

Таблица. 1

Действующее значение высших гармоник тока i определяется в решающей степени составляющими спектра, расположенными около частоты коммутации:

Коэффициент мощности электропривода

Действующее значение сетевого тока:

Коэффициент мощности электропривода

Коэффициент мощности равен коэффициенту искажения тока сети v :

Коэффициент мощности электропривода

Учитывая, что k р< 0,1, получим

Коэффициент мощности электропривода

Величина k г находится по таблице 1 в зависимости от коэффициента kU, определяющего напряжение на выходе выпрямителя. Из выражения (3) видно, что для достижения требуемого коэффициента мощности следует варьировать k рA . Величина kр, как следует из выражения (2), связана с величиной индуктивностей фазных дросселей L.

Высшие гармоники в электросетях

Высшие гармоники в сети.
Что такое гармоники?

Искаженная кривая тока или напряжения может быть разложена на фундаментальную синусоиду (50 Гц) и сумму определенного количества частот кратных 50 Гц. Например 250 Гц – 5-я гармоника и 350 Гц — 7-я гармоника. Сумма определенного количества частот, которые могут быть добавлены к синусоиде 50 Гц для получения существующей формы тока или напряжения и называется гармониками. Соответственно при изменении их амплитуды, фазы и частоты изменяется кривая тока или напряжения как результат синтеза гармоник. Нелинейные искажения проявляются как изменение синусоидальности кривой тока или напряжения. Частоты выше фундаментальной (50 Гц) называются гармониками, частоты ниже фундаментальной называются субгармониками. Для примера на рисунке ниже искаженная кривая представлена как сумма фундаментальной частоты 50 Гц и суммы гармоник 5-ой (250 Гц) и 7-ой (350 Гц).

Искаженная кривая = 50 Гц основная частота + 5-я гармоника (250 Гц) + 7-я гармоника (250 Гц)

Источники (усилители) гармоник
  • Тиристорные контроллеры
  • Частотные приводы
  • Устройства плавного пуска двигателя
  • Конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (без фильтров)
  • Полупроводники
  • Дуговая сварка
  • Трансформаторы, реакторы
  • Нелинейная нагрузка искажающая форму кривой тока, что генерирует гармоники
Процесс инжиниринга для подавления гармоник
  • Сбор данных (состояние системы, гармонический спектр, THD предел)
  • Построение карты импедансов системы
  • Расчет импеданса гармоникам и определение порядка фильтра
  • Расчет перетоков гармоник
  • Отработка на специализрованном ПО
  • Проверка возможных ненормальных резонансов в системе, и вероятности усиления гармоник
  • Разработка и производство системы подавления гармоник
  • Проверка системы после инсталляции
  • Отчет о проделанных измерениях и внедренном оборудовании
Искажения (возмущения) вносимые гармониками
Что такое фильтр гармоник?

Фильтр гармоник – устройство, которое подавляет и потребляет гармоники генерируемые различным оборудованием. Он состоит из резистора, катушки индуктивности (реактора ) и конденсатора. Типовой фильтр гармоник состоит из одиночных шунтирующих фильтров для гармоник низкого порядка (3-15 я). Эти фильтры настроены на частоту гармоники, которую они подавляют. Для гармоник более высокой частоты, устанавливаются дополнительные фильтры.

Эффективность фильтров гармоник.

  • Улучшение cos (φ) в сети (уменьшаются перетоки реактивной мощности, улучшается эффективность использования электроэнергии и как следствие снижаются затраты)
  • Подавление (вытягивание) гармоник из сети
  • Решение проблемы резонанса между индуктивностями и емкостями в системе
  • Увеличение производительности и срока службы оборудования на производстве вследствие контроля за качеством напряжения

Эти эффекты подавления гармоник тока фильтрами поясняются следующими схемами:

In — Генерируемый гармонический ток Zfn —

Ifn — Гармонический ток на входе в фильтрующую систему

Isn — Гармонический ток поступающий в цепь трансформатора (генератора) – источника

Zfn – Входной импеданс фильтра (по отношению к гармоникам)

Zfn – Входной импеданс трансформатора (по отношению к гармоникам)

Европейский стандарт содержания гармоник в сети

** — Порядок гармоники (нечетные)

*** — Все энергогенерирующее оборудование ограничивается значениями нелинейных искажений по току в зависимости величины отношения тока короткого замыкания Iкз и максимального потребляемого тока I п. макс.

— Четные гармоники лимитируются на уровне 25% от величины нечетной гармоники — Нелинейные искажения по току могут проявляться как появление постоянной составляющей в синусоиде, что приводит к перегреву (перенасыщению) силовых трансформаторов постоянным током, поэтому применение однополупериодных схем выпрямления (конвертеров) не допустимо.

Низкий коэффициент мощности и его последствия

Рассмотренное запаздывание тока относительно напряжения — это не хорошее явление. Как оно может сказаться на ваших лампочках или проводке?

во-первых, это повышенное потребление электроэнергии

Часть энергии будет просто «болтаться» в катушке, при этом не принося никакой пользы. Правда не пугайтесь, ваш бытовой счетчик реактивную энергию не считает и платить вы за нее не будете.

Например, если вы включите в розетку инструмент или светильник с полной мощностью 100Ва, на блоке питания которого будет указано cos ϕ=0,5. То прибор учета накрутит вам только на половину от этой величины, то есть 50Вт.

Зато по проводам питания будет проходить вся нагрузка, разогревая их бесполезной работой.

величина тока в проводке увеличится

Вот известное наглядное видео, демонстрирующее последствия этого для проводки.

для эл.станций и трансформаторов оно вредно перегрузкой

Казалось бы, выбрось катушку и вся проблема исчезнет. Однако делать этого нельзя.

В большинстве светильников, лампы работают не отдельно, а в паре с источниками питания. И в этих самых источниках, как раз таки присутствуют разнообразные катушки.

Катушки просто необходимы как функциональная часть всей схемы и избавиться от них не получится. Например в тех же дроссельных лампах ДРЛ, ДНАТ, люминесцентных и т.п.

Поэтому характеристика коэфф. мощности, здесь больше относится к блоку питания, нежели к самой лампе. Данный cos ϕ может принимать значение от ноля до единицы.

Ноль означает, что полезная работа не совершается. Единица — вся энергия идет на совершение полезной работы.

Чем выше коэффициент мощности, тем ниже потери электроэнергии. Вот таблица косинуса фи для различных потребителей:

Рекомендации по уменьшению гармонических составляющих питающего напряжения

Для уменьшения гармоник напряжение рекомендуется сделать следующее:

  1. На все преобразователи частоты мощностью более 10 кВт в обязательном порядке установить линейные дроссели переменного тока. Лучшим вариантом будет выбор дросселей с высоким импедансом (3-4 %), которые уменьшат уровень гармоник на 15-20%. Кроме того, установка дросселей улучшит надежность и отказоустойчивость преобразователей.
  2. На преобразователи частоты мощностью более 35 кВт, кроме дросселей переменного тока, установить дроссели постоянного тока для питания звена постоянного тока. Это дополнительно уменьшит выбросы гармоник в питающую сеть на 5-10%.
  3. Применить пассивные LC-фильтры на вводе питания преобразователей частоты и других нелинейных нагрузок.

Для выполнения приведенных рекомендаций желательно обратиться к инструкциям производителей и специалистам.

Креме того, рекомендуется проверить состояние питающих проводов, кабелей, клемм, переходных сопротивлений силовых соединений фазных и нейтральных проводов, качество соединений заземления корпусов электроприборов и т.д. В результате обследования выявлены преобразователи с отключенным заземлением.

Отрицательный косинус

Из школьного курса геометрии известно, что cos (φ) = cos (-φ), то есть косинус любого угла будет положительной величиной. Но как же отличить индуктивную нагрузку от емкостной? Всё просто – электрики всех стран условились, что при емкостной нагрузке перед знаком косинуса ставится минус!

В практике пользования прибором анализа напряжения HIOKI у меня были случаи, когда значение косинуса было отрицательным. В последствии выяснилось, что была неправильно включена компенсаторная установка и произошла перекомпенсация. То есть cos φ < 0, что и должно быть, но конденсаторные установки используются неправильно, и возможны ситуации, когда напряжение в сети из-за этого может подняться.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: