Антирезонансные фильтрующие дроссели конденсаторных установок

Antiresonance Harmonic Filter Reactor Detuned Systems

Нарушение требований электромагнитной совместимости при увеличении суммарной мощности нелинейной нагрузки, вызывает рост в системе электроснабжения одной из стандартных норм качества электроэнергии - коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения - ku [1]. Токи высших по отношению к промышленной частоте (f1 = 50 Гц) гармоник (в первую очередь 5-й, 7, 11 и 13-й), генерируемые низковольтными нелинейными электроприемниками, например, преобразователями различного типа, приводят к дополнительным потерям активной мощности в проводниках, магнитных системах трансформаторов и электродвигателей, вынуждающим повышать их установленную номинальную мощность, во избежании тепловой перегрузки. Так, в эксплуатационном режиме допустимую систематическую перегрузку наиболее распространенных на предприятиях трансформаторов типа ТМ в долях от их номинальной мощности - Sном. регламентирует ГОСТ 14029-97 (МЭК 354-91) "Руководство по нагрузке силовых трансформаторов". Нагрузочная способность трансформатора наряду с постоянной времени нагрева и температурой окружающей среды определяется коэффициентами начальной - К1 и повышенной К2 нагрузки, пропорциональными протекающему через трансформатор эквивалентному (среднеквадратичному - IRMS) току, который, в свою очередь, соразмерен ku [1]. Для косинусных конденсаторов ГОСТ 1282-88 "Конденсаторы для повышения коэффициента мощности. Общие технические условия" допускает длительное превышение номинального напряжения Uном. не более чем на 10%, а совокупное, как от превышения Uном., так и от высших гармоник увеличение номинального тока - Iном. не более 30%. В конденсаторных батареях (КБ) высокочастотные гармонические составляющие, из-за снижения емкостного сопротивления конденсаторов, увеличат определяющие их температурный режим внутренние потери, ориентировочно пропорциональные соотношению IRMS - геометрической сумме токов гармоник абсорбируемых КБ и Iном., что приведет к снижению срока службы КБ установок компенсации реактивной мощности (РМ).

Кроме того, известны случаи, когда на одной из частот гармоник емкость ступенчато переключаемых КБ образовывала резонансный контур с параллельно включенной индуктивностью силового трансформатора и других элементов сети. Практически, собственная резонансная частота данного контура находится между 250 и 500 Гц, что соответствует частотам 5-й и 7-й гармоники [2]. Возникновение резонансного (или близкого к нему) режима приведет к росту в 5÷6 раз амплитуд тока гармоник резонанса, увеличению k_u [1] и снижению нагрузочной способности трансформатора. Следовательно, прежде чем принять решение о выборе типа конденсаторной установки (КУ) нужно провести проверку присутствующего в компенсируемой сети спектра гармоник. Измерение [1] можно выполнить универсальными мультиметрами (например, UMG 503, UMG 510 производства Janitza) - см., раздел "Обследование объекта перед заказом конденсаторной установки" или ориентировочно оценить непосредственно с помощью регулятора РМ (PFC controller) автоматизированных КУ серии BR6000 производства Epcos AG или "Prophi" производства Janitza в опции THD (Total Harmonic Distortion), применительно U или I [2]. Регистрируемая прибором величина:

Некоторые типы ранее применявшихся в КУ производства ООО ДИАЛ-Электролюкс регуляторов РМ - "Prophi", BR6000 определяют действующее значение U_n и I_n каждой нечетной гармоники (до 19-й включительно) в процентах от первой без опции суммирования [3].

Последовательное включение с КБ специального дросселя (таблица) позволит избежать появления резонансного или близкого к нему режима, за счет смещения собственной частоты контура "дроссель-КБ" - f_R ниже частоты присутствующих в сети гармоник. Вносимый дросселем коэффициент частотной расстройки - р [2]:

а его, принятые VDEW (Association of German Power Supply Companies) стандартные величины - 14%, 7%, 5,67% (таблица), соответствуют f_R - 135 Гц, 189 Гц, 210 Гц [2, 3].

Поскольку частота расстроенной системы (сеть + трансформатор + звено "дроссель-КБ" + совокупная нагрузка) расположена ниже правильно выбранного значения f_R, для присутствующих в компенсируемой цепи гармоник c частотой выше f_R импеданс системы - Z выглядит индуктивным, исключая возможность резонанса на этих частотах, а на основной частоте f₁ система будет функционировать как емкостная, обеспечивая коррекцию РМ нагрузки.

В фильтрокомпенсирующих КУ (ФКУ), собираемых на базе звеньев "дроссель-КБ", целесообразно устанавливать КБ, выполненные по запатентованной Epcos AG МКК (Metallized Kunststoff Kompakt) технологии [2, 3]. По сравнению с широко распространенными в схемах компенсации РМ косинусными конденсаторами технологии MKP (Metallized Kunststoff Polypropylen), конденсаторы подобного типа, например серии "PhaseCap®" - см., раздел "Косинусные (фазовые) конденсаторы, позволяют на 20-30% (до 1,6 × I_ном) увеличить длительно допустимую токовую перегрузку ступени КУ [2, 3].

При этом следует учитывать повышение напряжения на КБ - U_КБ, обусловленное суммированием напряжения сети - U_С и падения напряжения на дросселе - U_L (рис. 1):

Таким образом, в зависимости от выбранного значения р [2, 3], номинальное напряжение КБ - U_КБ должно быть увеличено на 10-20%. Учитывая необходимость коррекции индуктивной РМ дросселя за счет повышения емкости и номинального напряжения конденсаторов, в расстроенных (de-tuning) звеньях "дроссель-КБ" Epcos AG использует специально подобранные (нестандартные) конденсаторы [2, 3].

Рис. 1. Схема ступени регулирования фильтрокомпенсирующей КУ и частотная характеристика компенсирующего звена "дроссель-КБ"

Сухие трехфазные антирезонасные фильтрующие дроссели (таблица) выполняются на магнитопроводе из листов электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой и немагнитным (воздушным) зазором, обладают высокой линейностью нагрузочных характеристик и небольшой погрешностью номинальной индуктивности (рис. 2а). Наличие воздушных охлаждающих каналов улучшает отвод тепла, а расположенный внутри средней катушки температурный датчик отключает дроссель в случае перегрева. Наряду с частичным подавлением гармоник, предотвращением резонансных явлений и защитой КБ - основного элемента КУ, дроссели ограничивают амплитуду пускового тока КБ, что снижает степень искажения его синусоидальности при коммутации ступеней КУ [4]. Многолетний зарубежный опыт эксплуатации показал высокую эффективность применения в низковольтных КУ частотно-расстроенных звеньев "дроссель-КБ". В настоящее время ФКУ выпускает (как правило, по предварительному заказу) и ряд отечественных производителей, в частности ООО ДИАЛ-Электролюкс, как нерегулируемые - типа УКФ, так и автоматизированные - типа АФКУ (рис. 3), на базе комплектующих элементов Epcos AG.

Нажмите, чтобы увеличить

Рис. 2. Значение номинальной индуктивности (а) и собственных потерь (б) фильтрующих антирезонансных дросселей Epcos AG [2, 3]

ФКУ рекомендуется использовать при доле нелинейных электроприемников в суммарной присоединенной мощности нагрузки более 15-20% (до этого значения компенсация РМ осуществляется обычными КУ, а свыше 50% необходимо применять активные или пассивные сетевые резонансные фильтры, настроенные на фиксированные частоты гармоник). Следует отметить, что именно в зоне 15-50% нелинейности нагрузки происходит наиболее интенсивное (около 30%) снижение коэффициента загрузки силовых трансформаторов.

Несмотря на более высокую стоимость ФКУ, по отношению к обычным, эквивалентным по номинальной РМ и числу ступеней КУ, снижение (примерно на 10-12%) номинальной компенсационной РМ конденсаторов и наличие потерь в дросселе - ΔР, в зависимости от значения р составляющих 3,7-12,2 Вт/квар (рис. 2б), общие потери активной мощности в системе электроснабжения предприятия могут оказаться значительно меньше, чем при отсутствии фильтрокомпенсации. Поскольку потери (тепловая нагрузка) дросселей значительно выше, чем у конденсаторов, ФКУ должны быть оборудованы системой принудительной вентиляции. Окончательные выводы о целесообразности использования ФКУ и выбор параметров звенье "дроссель-КБ" можно сделать только после анализа показателей норм качества электроэнергии в точке присоединения КУ.

Нажмите, чтобы увеличить

Рис. 3. Внешний вид автоматизированной фильтрокомпенсирующей установки производства ООО ДИАЛ-Электролюкс

Таблица. Технические данные трехфазных антирезонансных фильтрующих дросселей "Epcos AG" [2] - стандарты EN 60289, EN 61558, VDE 0532

U_ном = 400 В, f = 50 Гц, р =5,67% (f_R =210 Гц) [2]
Линейность: L ≥ 0,95×L_ном при токе до 2,08×I₁

U_ном = 400 В, f = 50 Гц, р = 7% (f_R =189 Гц) [2]
Линейность: L ≥ 0,95×L_ном при токе до 1,73×I₁

U_ном = 400 В, f = 50 Гц, р = 14% (f_R =135 Гц) [2]
Линейность: L ≥ 0,95×L_ном при токе до 1,4×I₁

U_ном = 440 В, f = 50 Гц, р = 5,67% (f_R = 210 Гц) [2]
Линейность: L ≥ 0,95×L_ном при токе до 2,08×I₁

U_ном = 440 В, f = 50 Гц, р = 7% (f_R =189 Гц) [2]
Линейность: L ≥ 0,95×L_ном при токе до 1,73×I₁

U_ном = 440 В, f = 50 Гц, р = 14% (f_R =135 Гц) [2]
Линейность: L ≥ 0,95×L_ном при токе до 1,4×I₁

Выводы (клеммы) антирезонансных фильтрующих дросселей Epcos AG [2]

Размеры антирезонансных фильтрующих дросселей Epcos AG [2]. Нажмите, чтобы увеличить

Чертеж 1 [2]

Чертеж 2 [2]

Чертеж 3 [2]

Антизонансные фильтрующие дроссели Epcos

Заказ через интернет

Литература

1. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Минск: ИПК Издательство стандартов, 1998. - 31с.
2. Power Factor Correction. Product Profile 2006. Published by Epcos AG AG. Ordering No EPC: 26017-7600. Germany, 2006 - 79р.
3. Power Factor Correction. Product Profile. Catalog Epcos AG AG. Ordering No EPC: 26004-7600. Germany, 2001. - 103p.
4. Damping of Inrush Current in Low-Voltage PFC Equipment. Product Profile. Epcos AG AG. Ordering No EPC: 26008-7600. Germany, 2001 - 12р.