Тиристорные контакторы компенсаторов реактивной мощности

1.

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ»
Дисциплина:
«Разработка электронных устройств»
Лекция № 7:
Тиристорные контакторы компенсаторов
реактивной мощности
к. т. н. , доцент
Шайтор Николай Михайлович

2.

ВОПРОСЫ
1
1. Введение. Компенсация реактивной мощности.
2. Компенсаторы реактивной мощности и мощности
искажения в системах электропитания промышленного
назначения.
3. Тиристорные контакторы для коммутации
конденсаторных батарей.
Литература:
1. Статический тиристорный компенсатор реактивной мощности.
Сайт www. ansaldovei. ru /rut/18/.
2. Шишкин С. Тиристорные контакторы для коммутации
низковольтной силовой нагрузки // Силовая электроника. – 2005.
- №2. – С. 25-26.
3. Контакторы конденсаторных батарей. Сайт www. compensation. ru
/equipment/ contactors/ thyristor/ epcos.

3.

1.
Введение. Компенсация реактивной мощности.
2
Линии электрических передач и потребители электрической
энергии представляют собой три вида электрических сопротивлений
для источников энергии :
- активное (проводов электрических цепей, электрических машин,
нагревателей, ламп освещения и других потребителей), ток и
напряжение совпадают по фазе;
- индуктивное (созданное магнитным полем токов в проводах
электрических цепей и потребителях), ток отстает от напряжения на 90
градусов;
- емкостное (созданное электрическими зарядами между проводами,
землей, а так же вследствие конденсаторов в цепях потребителей), ток
опережает напряжение на 90 градусов;.
В основном преобладают индуктивные потребители над
емкостными, поэтому электрические цепи носят индуктивный
характер, а угол между напряжением и отстающим током
изменяется от 0 до 90 градусов, он зависит от изменения нагрузок.

4.

Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах
обуславливает интервалы времени (рис.2), когда напряжение и ток имеют
противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицательный
и наоборот.
В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой (p=u i 0), а
подается обратно по сети в сторону генератора.
При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном
элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных
элементах, а совершает колебательные движения (от нагрузки к
генератору и обратно).
Соответствующую мощность называют реактивной Q.
3

5.

,
В общем случае(2)реактивная мощности(1)представляет собой разность
индуктивной и емкостной реактивных мощностей.
Q QL QC
Полная мощность складывается из активной мощности, реактивной
мощности и мощности искажения и характеризует величину
загруженности сети оборудованием
S P 2 Q 2 T 2
где Р – активная составляющая (Вт), Q – реактивная мощность
(Вар), Т – мощность искажения (ВА). Для линейных нагрузок имеем
Т=0.
Мощность искажения Т вызвана наличием высших гармонических
тока, вызванными нелинейными и импульсными нагрузками,
которые искажают синусоиду, поступающую от источников.
4

6.

,,
Соотношение между полной и активной мощностью характеризует
эффективность потребления
(6) энергии (коэффициент мощности)
(4)
(3)
(5)
K P P
S
cos 1 K HU
где 1 – фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока,
КНU - коэффициент нелинейности:
K HU
I1
I
1
где I1 – действующее значение первой (основной) гармоники тока, I –
действующее значение несинусоидального периодического тока.
Важной энергетической характеристикой является коэффициент
полезного действия, представляющий собой отношение выходной
активной мощности к входной
Pвых Р 100%
вх
В роли же обобщенного показателя эффективности оборудования
выступает энергетический коэффициент
K Э K P
5

7.

5
,,
(6)повышения эффективности оборудования –
Один из(3)факторов
(4)
(5)
это увеличение коэффициента мощности, который зависит от
фазового сдвига ( 1) между первыми гармониками напряжения и
тока.
Потребление реактивной мощности приводит к увеличению тока,
потребляемого из сети и, как следствие, - к увеличению мощности
генераторов, трансформаторов, активных потерь в кабелях,
трансформаторах и других распределительных устройствах систем
питания, сечений подводящих кабелей и падению напряжения в питающей
сети.
Подключаемые к сети устройства, содержащие конденсаторы,
которые снижают суммарную реактивную мощность и повышают
коэффициент мощности оборудования, получили название
компенсаторов реактивной мощности (КРМ).
Реактивную мощность необходимо получать (генерировать)
непосредственно у потребителя, поэтому параллельно нагрузке
подключают компенсаторы реактивной мощности.
Реактивная мощность при этом уже не перемещается между генератором и
нагрузкой, а совершает локальные колебания между реактивными
элементами - индуктивными обмотками нагрузки и компенсатором.

8.

2. Компенсаторы реактивной мощности и мощности искажения в
системах электропитания промышленного назначения
Компенсаторы реактивной мощности позволяют решить ряд
проблем, возникающих на производстве:
снизить загрузку силовых трансформаторов (при снижении потребления
реактивной мощности снижается потребление полной мощности);
обеспечить питание нагрузки по кабелю с меньшим сечением (не
допуская перегрева изоляции);
за счет частичной токовой разгрузки силовых трансформаторов и
питающих кабелей подключить дополнительную активную нагрузку;
позволяет избежать глубокой просадки напряжения на линиях
электроснабжения удаленных потребителей (водозаборные скважины,
карьерные экскаваторы с электроприводом, стройплощадки и т.д.;
максимально использовать мощность автономных дизельгенераторов (электроснабжение геологических партий, стройплощадок,
установок разведочного бурения и т.д.);
облегчить пуск и работу асинхронных двигателей (при
индивидуальной компенсации).
В зависимости от используемых коммутаторов КРМ делятся на
релейные (контакторные) и тиристорные.
6

9.

7
Схема трехфазного контакторного КРМ с 4 секциями
при соединении конденсаторов в «треугольник»
Установка КРМ состоит из
следующих частей:
конденсаторные
батареи, соединенные по
схеме «треугольник» с
разрядными резисторами
(С);
контакторы с
дополнительной
контактной группой,
обеспечивающей
предварительный заряд
конденсаторов (КМ);
предохранители (FU);
автоматический
выключатель (QF);
регулятор
коэффициента мощности
(контроллер).

10.

8
Регулятор коэффициента мощности (контроллер) и его электронная
измерительная система:
• контролирует активную и реактивную составляющую мощности путем
измерения мгновенных значений напряжения и тока в силовой сети;
• вычисляет фазовый сдвиг между током и напряжением и сравнивает с
предварительно заданной величиной.
• автоматически подключает или отключает конденсаторы для того,
чтобы достичь необходимого значения cos .
• обеспечивает автоматическое переключение конденсаторных секций
при изменении реактивных нагрузок.
Алгоритм работы контроллера построен таким образом, чтобы достичь
необходимого значения cos при минимуме переключений. Это позволяет
продлить срок службы контакторов и конденсаторов.
В настоящее время для компенсации реактивной мощности в
электрических распределительных сетях применяются конденсаторные
установки КРМ-0,4 (аналог УКМ58, АКМ70, АКУ, УККРМ) – 0,4 кВ до
2000 кВАр, позволяющие значительно сократить – до 30% затраты на
передачу
электроэнергии,
существенно
снизить
нагрузку
на
трансформаторы и кабели, повысить надежность сетей.

11.

Для трехфазных сетей напряжением 6 и 10 кВ применяют установки
КРМ – 6,3 (10,5) кВ (аналог УКЛ – 56, УКЛ – 57) мощностью от 50 до
10000 кВАр.
Для повышения cos в электрических распределительных сетях
промышленных предприятий напряжением до 1 кВ наряду с
установками УКМ58 и АКМ70 применяются автоматизированные
конденсаторные установки АКУ 0,4 настенного и напольного
использований.
Релейные КРМ в закрытом и открытом виде
9

12.

10
Тиристорные КРМ применяются при необходимости коммутации
конденсаторных батарей за короткий промежуток времени, что
требуется при резко переменной индуктивной нагрузкой.
Тиристорные компенсаторы имеют следующие преимущества:
высокое быстродействие – до 14 коммутаций в секунду вместо
одного в 5…20 сек., так как нет необходимости в задержке
срабатывания на время разряда конденсатора;
малый уровень помех вследствие отсутствия бросков тока в
момент коммутации;
малый износ конденсаторов по той же причине;
высокая надежность ключей аппаратуры вследствие отсутствия
механических частей;
включение тиристоров происходит в момент, когда напряжение
сети и конденсатора равны.
пониженные потери вследствие отсутствия разрядных
резисторов;
конденсаторы подключаются без значительных пусковых токов,
что продлевает их срок службы.

13.

11
Компенсация мощности искажений (Т) потребителей электроэнергии с
нелинейным характером нагрузки осуществляется применением пассивных
или активных фильтров гармоник.
Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику,
приводят к искажению формы тока.
Искажение тока влияет на форму напряжения в системе
электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы
(приводит к перегреву оборудования сети, снижению коэффициента
мощности, электрического и механического КПД нагрузок и завышению
требуемой мощности автономных электроэнергетических установок).
Для повышения качества электрической энергии при
электроснабжении промышленных предприятий применяются статические
тиристорные компенсаторы реактивной мощности ТКРМ типа КРМ1 –
35…110 кВ.
Они обеспечивают:
• быстродействующую компенсацию реактивной мощности;
• симметрирование токов и напряжений в сети;
• стабилизацию напряжений на шинах потребителей;
• фильтрацию высших гармоник;
• ограничение перенапряжений в узле подключений тиристорного
компенсатора реактивной мощности.

14.

12
Искажения синусоиды при тиристорном регулировании
Генерация управляющего сигнала для отпирания СТЭ происходит
в системе управления, которая в законченном виде (аппаратная +
программная части) представляют собой ноу-хау производителя.
Изменение фазового напряжения в обмотке АД при пуске.
Для повышения напряжения угол отпирания тиристоров СТЭ
изменяется от значения 180 или 10 мс при частоте 50 Гц в начале, до
нуля.
При его понижении угол отпирания изменяется в обратном
порядке.

15.

13
Несколько
другой
вариант
статического
компенсатора
реактивной
мощности
для
линии
электропередач
и
промышленности предлагает ЗАО «АНСАЛЬДО – ВЭИ» (Россия) СТК
разрабатываются и изготовляются в двух модификациях – для
линий электропередач и для промышленных установок типа
дуговых сталеплавильных печей (ДСП) и тиристорных приводов
прокатных станков.
Основные
следующем:
преимущества
применения
СТК
заключаются
в
Линии электропередач
Повышение статической и динамической устойчивости
передачи.
Снижение отклонений напряжения при больших возмущениях
в системе.
Стабилизация напряжения.
Ограничение внутренних перенапряжений.
Увеличение передаточной способности электропередачи изза улучшения устойчивости при большой передаваемой мощности.
Фильтрация токов высших гармоник.

16.

14
Промышленные установки
Снижение колебаний напряжений.
Повышение коэффициента мощности.
Снижение токов высших гармоник.
Снижение искажения напряжения.
Дуговые сталеплавильные печи
Существенное снижение возмущений в питающей цепи.
Возможность подключения мощных печей к энергосистемам с
низкой мощностью КЗ.
Повышение среднего коэффициента мощности.
Снижение токов высших гармоник, текущих в энергосистему.
Компенсация несимметрии токов фаз ДСП.
Повышение производительности печи.
Предотвращение резонансных явлений за счет установки
фиксированных фильтров высших гармоник.

17.

15
Фильтрокомпенсирующие цепи СТК.
Основная схемная конфигурация СТК включает в себя
конденсаторные батареи, как фильтры высших гармоник –
фильтрокомпенсирующие цепи (ФКЦ), постоянно подключенные к
сети или коммутируемые выключателями и включенные
параллельно им в треугольник три фазы управляемых тиристорами
реакторов – тиристорно-реактивная группа (ТРГ).

18.

Типовая электрическая схема СТК для дуговых
сталеплавильных печей
16
Система автоматического управления СТК обеспечивает быструю
компенсацию реактивной мощности нагрузки, выполняет защиту
оборудования СТК, контроль и сигнализацию отказов.
Она преобразует электрические импульсы управления тиристоров в
световые и передает их на высокий потенциал посредством волоконнооптических световодов, принимает контрольные световые импульсы с каждой
тиристорной ячейки и регистрирует количество и расположение отказавших
тиристоров.

19.

3. Тиристорные контакторы для коммутации конденсаторных
батарей.
17
В устройствах динамической компенсации РМ между выходами
тиристорного контактора (пускателя) и КБ ступени регулирования
устанавливаются токорегулирующие дроссели (с
подмагничиванием).
Электрическая схема включения ступени
КБ автоматизированной КУ
тиристорными контакторами
(пускателями) типа TSM-LC
производства Epcos AG Германия)
• Фаза L2 (S) подключается непосредственно к
дросселю КБ (при иной последовательности
подключения фаз встроенная система
контролируемых параметров блокирует работу ТК).
• Использовать стандартные разрядные
резисторные модули не рекомендуется, а
использование разрядных дросселей не
допускается.
• Конденсаторы батареи ступени регулирования
соединены «треугольником».

20.

14
Контрольные вопросы
1. Проблемы компенсации реактивной мощности в электрических
сетях.
2. Основные преимущества и особенности использования СТК РМ в
сетях.
3. Основные схемы подсоединения СТК РМ различных типов.
4. Тиристорные контакторы для коммутации конденсаторных
батарей.
5. Компенсаторы реактивной мощности и мощности искажения в
системах электро-питания промышленного назначения.
6. Особенности конструкции высоковольтных тиристорных
вентилей СТК РМ.

21.

14
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ