CC BY
22
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. №16
ЕНЕРГЕТИКА
УДК 621.311.019.3
Жежеленко И.В.1, Саенко Ю.Л.2, Коровин С.Л.3
КОМПЕНСАЦИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК АСИНХРОННЫМИ МАШИНАМИ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
Предложена компенсация искажений электрической энергии активным фильтром, воздействующего на ротор асинхронной машины с фазным ротором. Рассмотрено влияние активного фильтра на систему электроснабжения промышленного предприятия. Предложен принцип построения системы регулирования устройства.
Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьёзные проблемы для систем электроснабжения (СЭС). Гармонические составляющие представляют собой токи с частотами, кратными основной частоте источника питания. Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику, приводят к искажению формы тока. В свою очередь искажения тока влияют на форму напряжения в системе электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы [1].
Известные и применяемые в СЭС активные фильтры компенсации высших гармоник имеют следующие недостатки [2-5]: номинальное напряжение составляет 380 В., и для компенсации высших гармоник в сети 6-30 КВ. активный фильтр необходимо подключать в сеть через трансформатор, что повышает стоимость; устройства предназначены только для компенсации высших гармоник и не компенсируют асимметрию, колебания и отклонения напряжения, также не обеспечивает компенсацию реактивной электроэнергии.
Целью данной работы является создание единого устройства для компенсации всех искажений электроэнергии (асимметрия, колебания, отклонения напряжения; наличие высших гармоник) и позволяющего осуществлять компенсацию реактивной энергии.
Для компенсации искажений электроэнергии и компенсации реактивной энергии предлагается использовать комбинированный активный фильтр, состоящий из асинхронного двигателя с фазным ротором (АДФ) и компенсирующего устройства (КУ), включенного в ротор АДФ.
АДФ имеет три обмотки ротора, расположенные под углом 120 градусов друг к другу. Поэтому есть возможность компенсировать искажения магнитного потока двигателя, вызванного искажением электрической энергии (несинусоидальность напряжения, асимметрия напряжения, колебания напряжения, отклонения напряжения), воздействуя на три фазы ротора. Это позволяет использовать типовой АДФ для компенсации нелинейных искажений напряжения электрической энергии. КУ устанавливается на каждую фазу ротора. КУ управляют магнитным потоком, выступая в качестве возбудителя машины; регулирование частоты тока в роторе приводит к изменению частоты вращения ротора. Схема подключения КУ к ротору АДФ представлена на рис. 1. На рис. 2 представлена однолинейная схема СЭС и соответствующая ей схема замещения рис.3. Потребители генерируют гармонику тока 1л> на определенной частоте. Сопротивление связи нагрузки с подстанцией Хк.
1 ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ПГТУ, аспирант
компенсирующее
устройство фазы '"с"
Напряжение гармоники на шинах системы равняется 0; поэтому напряжение высшей гармоники на шинах подстанции:
Uv = lev • Xcv = (—Iv - I, .) • Xcv (1)
Автоматическая система
регулирования КУ,
включенного в ротор АДФ поддерживает напряжение на шинах подстанции равное 0 Uv = 0, поэтому решив уравнение
{-Iv-Im,).Xcv = 0 (2)
найдем ток гармоники генерируемый АДФ:
hff- = -Iv
Рис. 1 - Схема подключения КУ к АДФ
(3)
Выражение 3 показывает, что условием компенсации
гармоник напряжения на шинах подстанции является
Iv
Рис.2-Схема СЭС
Рис.3 - Схема замещения СЭС
генерация АДФ гармоник тока в противофазе гармоникам тока нелинейной нагрузки. Необходимая мощность АДФ для компенсации нелинейных искажений составляет 10 - 20% от
номинальной мощности двигателя. Двигатель, компенсирующий искажения по технологическому режиму работы должен быть постоянно включенным в сеть (гонники систем генератор-двигатель, турбодетандеры, насосы и вентиляторы). Добавочная нагрузка компенсации искажений на АДФ не должна приводить к перегрузке двигателя, больше номинальной. При наличии в СЭС промышленного предприятия АДФ, недогруженного по технологическому режиму, возможно, использовать его в качестве устройства компенсации искажений электроэнергии и реактивной энергии, что выгодней применения активного фильтра компенсации высших гармоник включенного через повышающий трансформатор и установки отдельного устройства компенсации асимметрии, отклонения, колебания напряжения и компенсации реактивной энергии. При отсутствии в СЭС необходимого АДФ целесообразнее установка АДФ рассчитанного на компенсацию искажений электроэнергии и компенсацию реактивной энергии.
Построение системы регулирования активного фильтра. На рис. 4 представлена схема замещения АДФ и КУ. КУ обозначается в виде ЕДС «Е», гкл и хкл - сопротивления кабеля, питающего АДФ. Заданием для системы регулирования является напряжение на шинах подстанции ис.
х2' Г273
Закон регулирования ЭДС «Е» активного фильтра:
Е = ис- 1С {гкл + г 1 + + х1)) -
(4)
-/Дгг'/^ + Лхг'))
Рис.4 - Схема замещения АДФ и КУ
Датчики тока статора IА, 1В, !С
Датчики тока ротора 1а, !Ь, 1с
положения ротора
Е = ис-1с{гт +г1 + Лхт +*!))--1г(гИз+}(хг))
Датчики напряжения ротора На, Ш. ис
На основании уравнения 4 возможно построение структурной схемы системы регулирования активного фильтра [6]. Структурная схема системы регулирования представлена на рисунке 5. По заданному значению напряжения на шинах подстанции (мгновенные желаемые значения
напряжения в зависимости от
"Датчик--времени, без искажений ) и
измеренным значениям токов статора и ротора вычисляют необходимое значение «Е» активного фильтра для каждой фазы в отдельности. Измеренные значения ЭДС приходят по обратным связям от датчиков напряжения ротора. Применяя пропорциональный регулятор ЭДС (Регулятор Е) и сравнивая задание и обратную связь вычисляем воздействующий силовой части
фильтра и (со) для каждой фазы ротора в отдельности. Изменение частоты со регулированию частоты вращения асинхронного двигателя.
Использование компенсирующего устройства вместо пускорегулирующего сопротивления позволит уменьшить потери электроэнергии на величину
Задание Е
обратная связь
Силовая часть активного фильтра
Регулятор Е
Рис.5 - Структурная схема системы регулирования
сигнал активного приводит к
(5)
Силовая часть активного фильтра управляется по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). На рис.6 обозначены:Т1,Т2 - Силовые транзисторы ЮВТ; ЩД2 - входные сопротивления коммутирующие транзисторы Т1,Т2 соответственно; ЯЗД4 - сопротивления учитывающие активные сопротивления силовых кабелей и шин; Ш, 112 - источники постоянного напряжения, в роли которых могут быть не управляемые выпрямители постоянного тока; С1 - сглаживающий конденсатор.
Принцип работы схемы состоит в следующем: входное напряжение поступает через сопротивления на переходы база - эмиттер транзисторов I I. Т2 соответственно.
Входной сигнал является сигналом ШИМ. Транзисторы Т1Л 2 - работают в ключевом режиме. Положительный сигнал открывает транзистор Т1, отрицательный сигнал открывает транзистор Т2. При открытии транзистора Т1 положительное напряжение источника II1 поступает на конденсатор С1, при открытии транзистора Т2 отрицательное напряжение источника 112 поступает на конденсатор С1.
Конденсатор С1 сглаживает выходное напряжение. Силовая часть активного фильтра в системе
регулирования рассматривается как
неминимально - фазовое звено.
Коэффициент передачи в операторной форме Лапласа силовой части активного фильтра имеет вид [6]:
Д-,*, "" 14 ' (6)
1 +РТ
Рис.6 - Принципиальная схема силовой части активного фильтра
где То - постоянная времени коммутации силовых транзисторов IGBT; Т - постоянная времени заряда элемента С1; R - коэффициент усиления силовой части активного фильтра. Силовая часть активного фильтра является устойчивым инерционным звеном неминимально -фазового типа.
Перспективой дальнейших исследований является построение системы регулирования и управления на микропроцессорной основе.
Выводы
1. В результате поддержания системой регулирования необходимого значения и формы статорного напряжения АДФ, обеспечивается компенсация: высших гармоник, асимметрии напряжения, отклонений напряжения, колебаний напряжения, реактивной энергии.
2.В результате регулирования частоты переменного напряжения ротора обеспечивается плавное регулирование скорости асинхронного двигателя.
Перечень ссылок
1. Жежеленко И. В. Реактивная мощность в системах элетроснабжения/ И. В. Жежеленко, ЮЛ. Саенко. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-226с.
2. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий/ И. В. Жежеленко.-М.: Энергоатомиздат, 2000.-305с.
3. Bernard Л'. Compensaron of Harmonic Currents Generated By Computers Utilizing an Innovative Active Harmonic Conditioner / S. Bernard., G. Troehain //MGE UPS Systems, 2000.-№ 12.-P. 12-19.
4. THM Filtering and the Management of Harmonic Upstream of UPS/ S.Bernard, J.N. Fiorina., B, Gros, G. Trochain.ll MGE UPS Systems, 2000.-№ 14.-P. 10-17.
5. Bettega E. Active Harmonic Conditioners and Unity Power Factor Rectifiers / E. Bettega., J.N. Fiorina II Cahier Technique Schneider Electric. - 1999.-№14.-P.26-28.
6. Куропаткин II.В. Теория автоматического управления / П.В. Куропаткин -М.: Энергия, 1973. -345с.
Статья поступила 28.04.2006
