Электротехнические термины - краткий обзор

Гармоники в электросетях
Колебательный контур, резонанс 
Добротность колебательного контура
Приборы с функцией RMS
Реактивная мощность
Коэффициент мощности
Компенсация реактивной мощности  

Гармоники в электросетях

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся  с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (т.е 1-я гармоника=50 Гц, 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена  на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Происхождение гармоник.

Гармоники являются следствием работы электрооборудования с нелинейными характеристиками. Основной вклад в формирование гармоник вносит следующее оборудование:

1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты, компьютеры;

2. Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы);

3. Насыщаемые устройства: Трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах являются обычно незначительна по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии что насыщение не происходит.Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы).

Негативные последствия от присутствия гармоник в сети:

• увеличение токов и напряжений высших гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов;
• старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;
• ложная работа оборудования
• снижение эффективности процессов генерации, передачи, использования электроэнергии;
• ухудшение работы электрических машин - увеличение нагрева, шума, потребляемой энергии.

Колебательный контур, резонанс

Колебательный контур, электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возбуждаться электрические колебания. Если в некоторый момент времени зарядить конденсатор до напряжения V0, то энергия, сосредоточенная в электрическом поле конденсатора, равна

Ес = CV02/2, 

где С - ёмкость конденсатора.

При разрядке конденсатора в катушке потечёт ток, который будет возрастать до тех пор, пока конденсатор полностью не разрядится. В этот момент электрическая энергия Колебательный контур Ec = 0, а магнитная, сосредоточенная в катушке,

EL=LI02/2,

где L - индуктивность катушки, I0 - максимальное значение тока.

Затем ток в катушке начинает падать, а напряжение на конденсаторе возрастать по абсолютной величине, но с противоположным знаком. Спустя некоторое время ток через индуктивность прекратится, а конденсатор зарядится до напряжения - V0. Энергия Колебательный контур вновь сосредоточится в заряженном конденсаторе. Далее процесс повторяется, но с противоположным направлением тока. Напряжение на обкладках конденсатора меняется по закону V = V0 cos w0t, а ток в катушке индуктивности I = I0 sin w0t, т. е. в Колебательный контур возбуждаются собственные гармонические колебания напряжения и тока с частотой w0 = 2 p/T0, где T0 - период собственных колебаний, равный T0 = 2p. В Колебательный контур дважды за период происходит перекачка энергии из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки индуктивности и обратно.

  В реальных Колебательный контур, однако, часть энергии теряется. Она тратится на нагрев проводов катушки, обладающих активным сопротивлением, на излучение электромагнитных волн в окружающее пространство и потери в диэлектриках, что приводит к затуханию колебаний. Амплитуда колебаний постепенно уменьшается, так что напряжение на обкладках конденсатора меняется уже по закону: V=V0e-dtcoswt, где коэффициент d = R/2L - показатель (коэффициент) затухания, а w =  - частота затухающих колебаний. Т. о., потери приводят к изменению не только амплитуды колебаний, но и их периода Т = 2 p/w. Качество Колебательный контур обычно характеризуют его добротностью . Величина Q определяет число колебаний, которое совершит Колебательный контур после однократной зарядки его конденсатора, прежде чем амплитуда колебаний уменьшится в е раз (е - основание натуральных логарифмов).

Добротность колебательного контура

Добротность — характеристика колебательной системы, определяющая полосу резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний.

Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии и тем медленнее затухают колебания.

Приборы с функцией RMS

Говоря о значениях переменного тока, мы обычно имеем в виду среднюю эффективную выделяемую теплоту или среднеквадратическое (RMS) значение тока. Данное значение эквивалентно значению постоянного тока, действие которого вызвало бы такой же тепловой эффект, что и действие измеряемого переменного тока. Самый распространенный способ измерения такого "среднеквадратического" значения тока при помощи измерительного прибора заключается в выпрямлении переменного тока, определении среднего значения выпрямленного сигнала и умножении результата на коэффициент 1,1. Данный коэффициент учитывает постоянную величину, равную соотношению между средним и среднеквадратическим значениями идеальной синусоиды.

Существует так же способ измерения по пиковому (амплитудному) значению. Если измеряемый сигнал имеет форму правильной синусоиды, тогда действительное значение имеет величину равную 0,707 от пикового значения.

Однако, при отклонении синусоидальной кривой от идеальной формы данные коэффициенты перестают действовать. По этой причине измерители с усредненными показаниями зачастую дают неверные результаты при измерении токов в современных силовых сетях.

Всех вышеперечисленных недостатков лишен способ измерения сигналов RMS (root mean square power - среднеквадратичное значение).

Таблица. Достоверность результата измерения в зависимости от формы измеряемого сигнала (ориентировочно).

Метод измерения	Коэффициент (поправка)	Синусоида	Прямоугольник	Выбросы	Урезанная синусоида	Треугольник
Измерение по пиковому знач.	Пик * 0,707	100%	82%	184%	113%	121%
По среднему значению	Среднее * 1,1	100%	110%	60%	84%	96%
True RMS	RMS преобразователь	100%	100%	100%	100%	100%

Реактивная мощность

Реактивная мощность (энергия) — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению действующих значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними: Q = U*I *sin φ (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным).

Или другими словами: Потребители электроэнергии, в которых создается магнитное поле (моторы, дроссели, трансформаторы, индукционные нагреватели, сварочные генераторы), вызывают отставание тока от напряжения (сдвиг фаз), обусловленный наличием индуктивности. Запаздывание приводит к тому, что ток через индуктивную нагрузку сохраняет знак некоторое время после того, как знак напряжения уже изменился на отрицательный. В течение этого времени ток и напряжения приводит к образованию отрицательной энергии, которая возвращается обратно в сеть. При восстановлении одинакового знака тока и напряжения такое же количество энергии расходуется на создание магнитного поля в индуктивной нагрузке. Эти колебания энергии электромагнитного поля в цепях переменного тока и называются реактивной мощностью.

Таблица 1. Ожидаемый экономический эффект при компенсации реактивной мощности.

cos(φ)1, без компенсации	cos(φ)2, с  компенсацией	Снижение величины тока и полной мощности, %	Снижение величины тепловых потерь, %
0,5	0,9	44	69
0,5	1	50	75
0,6	0,9	33	55
0,6	1	40	64
0,7	0,9	22	39
0,7	1	30	51
0,8	1	20	36

 

Коэффициент мощности

Коэффициентом мощности или cos φ электрической сети называется отношение активной мощности к полной мощности нагрузки расчетного участка.

cos φ = P/S,

где:

φ – коэффициент мощности;

P - активная мощность Вт;

S - полная мощность ВА;

Коэффициент мощности можно определить как расчетным путем, так и измерить специальными приборами. Только в том случае, когда нагрузка имеет исключительно активный характер, cos φ равен единице. В основном же, активная мощность меньше полной и поэтому коэффициент мощности меньше единицы. тем больше, чем больше индуктивностив рассматриваемом электроприемнике. для потребителей, у которых есть индуктивные нагрузки, например моторы, cos φ можно принимать равным 0,9.

Для потребителей, представляющих собой нагревательные элементы, коэффициент мощности равен единице. Например, линии освещения, в которых используются только лампы накаливания или галогеновые, имеют коэффициент мощности cos φ=1, а если освещение целиком состоит из светильников с люминесцентными лампами, то cosФ = 0,92. Еще сложнее обстоят дела с ртутными лампами типа ДРЛ (которыеосвещают улицы и склады). Их индуктивное сопротивление настолько велико, что коэффициент мощности равен 0,45. В этом случае даже требуется компенсация реактивной мощности с целью уменьшения протекающих по линиям токов. Но поскольку в индивидуальных жилых домах такие лампы используют нечасто, то и останавливаться на этом не будем.

Компенсация реактивной мощности

Большинство электроприемников (двигатели, электромагнитные устройства, осветительное оборудование и др.), а также средства преобразования электроэнергии (трансформаторы, различные типы преобразователей) в силу своих физических свойств требуют для работы кроме активной энергии, однонаправлено поступающей из сети в электроприемник, некоторой реактивной мощности (РМ), которая в течение половины периода основной частоты сети направлена в сторону электроприемника, а в другую половину периода - в обратную сторону. Несмотря на то, что на выработку РМ, активная мощность, а следовательно и топливо непосредственно не расходуется, ее передача по сети вызывает затраты активной энергии, которые покрываются активной энергией генераторов (за счет дополнительного расхода топлива). Кроме того, передача РМ загружает электрические сети и установленное в них оборудование, отнимая некоторую часть их пропускной способности. Например, если предприятие потребляет 4 единицы активной энергии и генерирует 3 единицы реактивной энергии, сеть оказывается загруженной на 5 единиц, а потери в ней возрастают с величины пропорциональной 42 = 16 единицам, до величины, пропорциональной 42+ 32 = 25 единицам. В результате сеть загружается на 25 % больше, а потери в ней становятся на 56 % больше по сравнению с режимом передачи только активной энергии. В то же время реактивная энергия может производиться непосредственно в месте потребления. Подобная практика широко распространена во всем мире и известна под термином "компенсация реактивной мощности" (КРМ) - одного из наиболее эффективных средств обеспечения рационального использования электроэнергии. Так, по данным VDEW (Association of German Power Supply Companies), в распределительных электросетях Германии, благодаря КРМ (до средневзвешенного значения cos φ = 0,9), в 1999 году было сэкономлено порядка 9 млрд. кВт•ч активной энергии, что составило более 20% от суммарного (36,4 млрд. кВт•ч) объема транзитных потерь.

В общем случае, в энергосистемах для КРМ применяются синхронные компенсаторы и электродвигатели, а так же конденсаторные установки (КУ).

В тоже время, поскольку системы КРМ для снижения потерь, вызываемых перетоком РМ, необходимо располагать как можно ближе к нагрузке, КУ являются наиболее распространенным средством КРМ именно в промышленных системах электроснабжения. На сегодняшний день в сетях отечественных потребителей для КРМ установлено порядка 30 млн. квар конденсаторов, из которых 18-20 млн. квар включаются и отключаются вручную. При этом доля низковольтных (до 1 кВ) конденсаторов составляет 75-80 % от общего объема.

Такое широкое применение конденсаторных установок (КУ), как для индивидуальной, так и для групповой компенсации, объясняется их преимуществами по сравнению с другими существующими в промышленности способами КРМ: небольшие, практически постоянные в зоне номинальной температуры окружающей среды, удельные потери активной мощности конденсаторов, не превышающими 0,5 Вт на 1 квар компенсационной мощности, т.е. не более 0,5% (для сравнения: в синхронных компенсаторах это значение достигает 10% номинальной мощности компенсатора, а в синхронных двигателях, работающих в режиме перевозбуждения - 7% [3]); отсутствие вращающихся частей; простота монтажа и эксплуатации; относительно невысокие капиталовложения; большой диапазон подбора требуемой мощности; возможность установки в любых точках электросети, бесшумность работы и т.д. Кроме того, в отличие от компенсаторов и синхронных двигателей, КРМ с помощью конденсаторов позволяет расширить функциональные возможности устройств компенсации. Так фильтрокомпенсирующие КУ одновременно осуществляют КРМ и частичное подавление присутствующих в компенсируемой сети гармоник, искажающих синусоидальность напряжения, а симметрирующие установки на базе конденсаторных батарей (при соответствующим конструктивном исполнении) позволяют производить одновременно КРМ и симметрирование нагрузки сети. Синхронные компенсаторы могут работать в режиме генерирования (режим возбуждения) и потребления РМ (недовозбуждение). Большие единичные мощности (МВ•А) и худшие по сравнению с КУ технико - экономические показатели, особенно в диапазоне небольших (до 10 МВ•А) мощностей компенсации, практически исключают использование в сетях подавляющего числа предприятий синхронных компенсаторов. Синхронные электродвигатели (СД) в режиме перевозбуждения также способны генерировать РМ, величина которой, определяется загрузкой СД по активной мощности. Как показывают исследования, учет зависимости стоимости годовых потерь электроэнергии, обусловленной генерацией РМ и влияние на компенсационную мощность загрузки СД, делает использование для КРМ низковольтных СД любой мощности, а также высоковольтных СД мощностью до 1600 кВт неэкономичным.