УДК 681.5:629.735 Фролов Денис Львович магистрант Морозов Виталий Пантелеймонович

УДК 681.5:629.735
Фролов Денис Львович
магистрант
Морозов Виталий Пантелеймонович
д.т.н., проф.
кафедра «Автоматика и управление в технических системах»
Московский государственный горный университет
АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДАВЛЕНИЯ ГАРМОНИК
ТОКА В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
AUTOMATIC SYSTEM FOR HARMONIC CURRENT IN LOCAL
NETWORKS
Основными источниками гармоник в сетях питания большинства
непроизводственных подразделений служит оргтехника – компьютеры,
мониторы, принтеры, сканеры, факсы и т.д. В таких подразделениях
(банках, офисах крупных фирм, расчетных и справочных центрах,
лабораториях учебных заведений) значительный вклад в генерацию
гармоник вносят также приборы на основе ртутных и газоразрядных ламп
и современные системы освещения со светодиодными осветительными
приборами, внедряемые в соответствии с Федеральным законом
Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ. Источники
бесперебойного питания (ИБП), обеспечивающие электропитание при
полном отключении промышленной сети, и статические преобразователи
переменного напряжения в постоянное, необходимые в ряде
технологических процессов, также искажают картину токов и напряжений
в электросетях.
Суммарный эффект нелинейных и импульсных нагрузок в виде
перечисленных выше устройств, выражается в появлении гармоник тока,
создающих, в свою очередь, искажения на внутреннем сопротивлении
источника напряжения. Поэтому именно в локальных сетях с относительно
невысокими токами короткого замыкания искажения тока оказываются
наиболее значимым источником гармонических искажений сетевого
напряжения, воздействующих на другое оборудование. Указанные
устройства, являясь генераторами высших гармоник тока в системе
электропитания, в зависимости от мест своего подключения и процентного
соотношения с линейными нагрузками будут тем или иным образом
влиять на другие нагрузки. Гармоники тока могут вызывать перегрев
подводящих проводов, нарушения синхронизации в других устройствах,
получающих электропитание от того же источника, сбои в
коммуникационных сетях и сетях передачи данных, повреждении
аппаратуры и прочие нежелательные эффекты.. Увеличение общего
действующего значения тока при наличии высших гармонических
составляющих в сети приводит к перегреву всего оборудования
154
распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности,
снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению
характеристик защитных автоматов, а в случае
автономных
электроэнергетических установок – к завышению требуемой мощности.
Предъявляемые в настоящее время требования к качеству локальных
систем электроснабжения означают, что они должны обеспечивать
высокую степень эксплуатационной надежности, т.е. справляться с
широким спектром проблем, начиная от высокочастотных шумов,
импульсных помех, провалов, колебаний, выбросов напряжения и т.д. При
этом одну из важнейших проблем, особенно в локальных сетях
производственных, управляющих и компьютерных центров, представляют
гармонические искажения напряжения, вызванные соответствующими
искажениями токов потребления нелинейных нагрузок.
Краткий перечень проблем, связанных с упомянутыми искажениями:
- перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников вследствие
их перегрузки токами гармоник;
- искажение синусоидальности питающего напряжения;
- дополнительные потери в трансформаторах питания аппаратуры;
- сокращение
срока
службы
электрооборудования
из-за
интенсификации теплового и электрического старения изоляции;
- необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических
выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов
защитных устройств;
- помехи в сетях телекоммуникаций при близком расположении
силовых и телекоммуникационных кабелей.
Проблема подавления с гармонических искажений в сетях
электроснабжения пока не нашла однозначного решения. Существует два
основных подхода, имеющих свои достоинства и недостатки. Первый и
самый распространенный исходит из того, что источниками токов высших
гармоник являются только мощные промышленные установки с
нелинейными свойствами.
Соответственно, методы подавления или компенсации гармоник,
применяемые в настоящее время, ориентированы, в основном, на
промышленные трехфазные сети, питающие мощные и высоковольтные
промышленные нагрузки [1]. Поэтому для трехфазных нагрузок
предложено множество систем и устройств компенсации гармоник
(УКГ) [2-4].
Второй подход обусловлен описанной выше эволюцией потребителей
малой мощности. Уже упомянутое выше расширение круга хотя и
маломощных, но многочисленных нелинейных нагрузок диктует
необходимость разработки систем фильтрации для однофазных установок
малой мощности (от 1 до 5 кВт). При этом система должна удовлетворять
требованиям высокой эффективности фильтрации, простоты монтажа,
компактности, экономичности. Полезным в данном случае был бы
комплекс систем,
состоящий из каскада фильтров для небольших
155
однофазных потребителей и устройства компенсации установленном в
узле подключения объекта. Такой децентрализованный подход к
«оздоровлению» локальных энергосистем позволит, с одной стороны,
исключить факторы риска, возникающие вследствие протекания
несинусоидальных токов, а с другой – избежать масштабных строительных
работ по созданию наружных площадок для типовых мощных установок
фильтрации гармоник [3] .
Компактные фильтры гармоник для потребителей, подключенных к
однофазной сети 220В, до сих пор остаются в стадии разработки, так как
внимание данной проблеме начинают уделять только после возникновения
аварийных, либо предельных токовых режимов приводящих к отказам
оборудования. Здесь, конечно, следует упомянуть выпускаемые рядом
зарубежных фирм микросхемы для автоматического управления
подавлением гармоник напряжения [5]. Их работа основана на анализе
формы напряжения сети и подаче импульсных добавок из запасенной
ранее энергии в рассчитанные моменты времени внутри периода с целью
приближения к синусоидальности. Сравнительный анализ показывает, что
при малых полных мощностях установки системы фильтрации на основе
активных и пассивных фильтров, имеют сравнимые коэффициенты
фильтрации гармонических искажений. Акцент на пассивные фильтры
целесообразен ввиду их простоты и распространенности компонентов для
их изготовления. Кроме того, это дает возможность применить крайне
простую систему управления коммутацией.
Применение модифицированных активных и гибридных фильтров для
подобных сетей также является возможным. Однако попытки их внедрения
сталкиваются с трудностями, обусловленными двумя основными
факторами: сложностью настройки системы управления активным
фильтром и высокой стоимостью.
Более целесообразным, однако, представляется анализировать
содержание гармоник не в напряжении, а в токе, где они представлены
значительно интенсивнее, вследствие чего искажения тока можно гораздо
проще зарегистрировать и оценить по величине. Конечно, подключиться к
сети для измерения напряжения проще на первый взгляд, чем для
измерения тока, но в обоих случаях потребуется гальваническая развязка.
Кроме того, существуют датчики тока, не требующие разрыва цепи.
Среди множества способов фильтрации, наиболее привлекательным в
силу конструктивной простоты является применение пассивных LC
фильтров, в виде коммутируемых последовательных резонансных
контуров. Ограниченный меньший коэффициент фильтрации пассивного
фильтра в данном конкретном случае не является существенным
недостатком т.к. при сравнительно малой мощности нагрузки он является
более чем достаточным для достижения стандартного THD согласно
рекомендации IEC-61000-2-2 (см. табл.1).
156
Таблица 1.
Класс установки
Чувствительные установки
• Аэропорты / Больницы
• Телекоммуникационные центры
Общие установки
• Офисные строения / Школы
Специализированные системы
• Заводы
Суммарный коэффициент
гармонических искажений THD (%)
3%
5%
10%
Применение коммутируемых фильтров – подавителей гармоник
позволит избежать роста реактивной составляющей мощности самой
системы из-за влияния постоянно подключенных фильтров.
С учетом предыдущих соображений описываемая ниже система
автоматического подавления гармоник построена на способе оценки
гармонического состава тока с последующим подключением резонансных
фильтров – подавителей, настроенных на частоты соответствующих
гармоник.
Для реализации поставленной задачи система разделена на три
подсистемы (см. рис. 1):
–анализатор гармонического состава тока, содержащий общий датчик
тока и фильтры-выделители отдельных гармоник;
–измерители уровня отдельных гармоник и коммутаторы;
–набор коммутируемых пассивных фильтров – подавителей.
Выходы фильтров – выделителей, на которых присутствуют сигналы
соответствующих гармоник, соединяются с первыми входами
компараторов. На вторые входы компараторов поданы напряжения,
определяющие уровни срабатывания, то - есть, пороговые уровни, по
достижении которых включаются фильтры подавления гармоник.
Предлагаемая система подавления гармоник функционирует
следующим образом. Ток сети, протекающий через датчик,
обеспечивающий гальваническую развязку, преобразуется в напряжение,
которое поступает на входы
фильтров-выделителей. Напряжения
отдельных гармоник с выходов фильтров- выделителей выпрямляются,
сглаживаются и поступают на входы компараторов. Если уровень
гармоники достаточен для срабатывания компаратора, его выходной
сигнал управляющее включается реле, реле включают соответствующие
силовые фильтры.
157
Рис. 1. Схема автоматической системы подавления гармоник тока в
локальных электросетях
Такая компоновка позволит решить проблему совершения системой
бесполезной работы в режиме отсутствия гармонических искажений в
сети, увеличит рабочий ресурс фильтров, снизит индуктивную и
емкостную нагрузку на сеть. Кроме того, появляется возможность строить
систему по модульному принципу, то - есть использовать минимальное
число каналов фильтрации, достаточное для снижения коэффициента
нелинейных искажений до допустимых значений (см. табл.1). Учитывая
быстрое снижение уровня гармоник с возрастанием их номера, в ряде
случаев можно ограничиться двумя каналами.
Следует
отметить,
что
стремление
добиться
идеальной
синусоидальной формы тока и напряжения на практике оказывается не
реализуемым, и ведет лишь к большим затратам, не давая существенного
технического эффекта.
Литература.
1. Смирнов С.С., Коверникова Л.И. Нормализация уровней
напряжения высших гармоник в сетях высокого напряжения //
Электричество – 2000 г.– № 11–С. 32-26.
2. Вагин Г.Я. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике
/ Г.Я. Вагин, А.Б. Лоскутов, А.А. Севостьянов. – Н.Новгород: НГТУ, 2004.
– 214 с
3. Жежеленко И.В, Рабинович М.Л., Божко В.М.. Качество
электроэнергии на промышленных предприятиях /. – Киев: Технiка, 1981. –
160 с.
158
4. Иванов, В.С. Режимы потребления и качество электроэнергии
систем электроснабжения промышленных предприятий / В.С. Иванов, В.И
Соколов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 336 с.
5. Коверникова, Л.И. Применение фильтров С-типа для
нормализации напряжений высших гармоник в сети с распределенной
нелинейной нагрузкой // Сб. докладов 10-й НТК по электромагнитной
совместимости. – СПб., 2008. – 350 с.
Аннотация.
В статье рассмотрены методы построения автоматических систем,
предназначенных для подавления гармоник в локальной сети
энергоснабжения. Предложен вариант разрабатываемой системы
автоматического подавления гармоник.
The article describes the methods of construction of automatic systems that
used for harmonic suppression in the local power network. Version of automatic
system of harmonic suppression is proposed.
Ключевые слова
гармоники тока и напряжения, нелинейные нагрузки, искажения
формы тока и напряжения, методы подавления или компенсации гармоник,
фильтры гармоник
harmonic voltage and current, non-linear loads, distortion of the current
and voltage, suppression techniques or compensation of harmonics, harmonic
distortion filters
159