Устройства защиты от провалов напряжения
Рассмотрим различные системы, защищающие промышленное производство от провалов напряжения (маховик, статический источник бесперебойного питания (ИБП), динамический компенсатор искажений напряжения, статический компенсатор (СТАТКОМ), параллельно соединенный СД, повышающий преобразователь, активный фильтр и бестрансформаторный последовательный усилитель).
Провалы напряжения являются одним из наиболее дорогостоящих явлений в промышленности. Самый легкий способ защитить чувствительные процессы от всех провалов — это установка ИБП . Однако из-за большой стоимости их закупки и обслуживания ИБП устанавливают только на основных структурных объектах, в местах, где повреждения, вызванные проблемами с электропитанием, могут причинить значительные повреждения, например в больницах, при производстве компьютеров, в финансовых учреждениях.
При решении вопроса об установке защитного оборудования должен быть проведен технико-экономический расчет, показывающий обоснованность установки ИБП для того или иного производственного процесса.
Проблема защиты электродвигателей с различными скоростями в промышленном производстве от провалов напряжения на данный момент решена. Из-за широкого разнообразия торговых марок таких систем найти оптимальное технико-экономическое решение этой проблемы не очень просто.
Типы корректирующего оборудования
Маховик вместе с двигатель-генератором (Д-Г) может защитить критические процессы нарушения производства от всех падений напряжения в энергосистеме С. Когда происходят падения напряжения, то снижение напряжения у нагрузки замедляется маховиком. Различные схемы соединения маховика с двигатель-генератором похожи на ту, которая изображена на 1.
Рис. 1. Схема использования маховика для компенсации провалов напряжения
Основные компоненты независимого статического ИБП представлены на рис. 2, батареи (конденсаторы) которого запасают энергию только на защиту от провалов напряжения на короткое время. Если произошел провал напряжения, нагрузка питается от батареи через преобразователь напряжения постоянного — переменного тока.
Рис. 2. Схема использования ИБП для компенсации провалов напряжения
Динамический компенсатор искажений напряжения в течение провала напряжения остается подсоединенным к электрической сети 1 через трансформатор 2 и определяет отсутствующую часть напряжения (рис. 3). Он добавляет эту отсутствующую часть напряжения через первичную 4 и вторичную 3 обмотки автотрансформатора, соединенного последовательно с нагрузкой 7. В зависимости от назначения энергия для питания нагрузки 7 через преобразователь напряжения 5 в течение провала напряжения может забираться из сети или от дополнительного источника энергии (в основном от конденсаторов в).
Рассмотрим две модификации различных производителей. Первая (далее ДКИН-1) не содержит источников энергии и постоянно подключена. Этот вариант экономически целесообразен для повышения напряжения до 50 %. Существует модификация устройства ДКИН со способностью к подъему напряжения на 30 %. Считается, что начиная с этой модификации устройства ДКИН (30 %) целесообразно их применение в производстве.
Рис. 3. Схема использования ДКИН для компенсации провалов напряжения
Вторая модификация (ДКИН-2) содержит источник энергии, рассчитанный на большую нагрузку. Двухмегаваттное устройство способно поднять напряжение нагрузки мощностью 4 МВт на 50 % или мощностью 8 МВт на 23 %. В отличие от большинства других устройств, мощность источника энергии способна выдержать длительные провалы.
Статический компенсатор (СТАТКОМ) — это устройство компенсации провалов напряжения, подсоединенное параллельно нагрузке (рис. 4). Устройство СТАТКОМ может снижать провалы напряжения путем изменения реактивной нагрузки в узле подключения.
Способность снижать провалы может быть расширена путем добавления дополнительного источника энергии, такого как сверхпроводящий магнитный источник энергии. Хотя компенсаторы СТАТКОМ (рис. 4) способны поглощать и возвращать реактивную мощность Q статком их применение обычно ограничивается статической компенсацией по причинам экономического характера.
Система СТАТКОМ в режиме снижения напряжения переходит в режим постоянного источника тока. Напряжение на выводах конденсатора может поддерживаться постоянным.
Рис. 4. Статический компенсатор
Параллельно подсоединенный синхронный двигатель (СД) несколько напоминает СТАТКОМ, но не содержит силовой электроники (рис. 5). Способность синхронного двигателя обеспечить большую реактивную нагрузку позволяет такой системе восполнять провалы напряжения глубиной до 60 % на протяжении 6 с. Вместе с этим маленький маховик защищает нагрузку против полного отключения электроэнергии на время 100 мс.
Рис. 5. Параллельно подсоединенный СД и маховик: 1 — энергосистема; 2 — трансформатор; 3 — выключатель
Повышающий конвертор — это преобразователь постоянного тока, повышающий напряжение шин постоянного напряжения (например, двигателя переменной частоты) до номинального уровня (рис. 6).
Наибольший провал напряжения, который может быть компенсирован, зависит от номинального тока повышающего конвертора. Повышающий конвертор начинает работать, как только провал напряжения будет зафиксирован на шинах постоянного тока прибора. Наряду со способностью обеспечить компенсацию симметричного провала напряжения вплоть до 50 % повышающий конвертор имеет возможность компенсировать глубокие несимметричные провалы, такие как полный выход из строя одной из фаз. Для защиты против полного отключения электроэнергии повышающий конвертор может быть дополнен батареями.
Активный фильтр ( рис. 7) — это преобразователь, который работает как выпрямитель при использовании IGBT-тиристоров вместо диодов.
Активный фильтр может постоянно поддерживать напряжение в течение всего провала напряжения. Номинальный ток активного фильтра определяет максимальное значение корректировки провала напряжения.
В случае возникновения провала напряжения бестрансформаторная схема компенсации провала напряжения (рис. 8) открывается и нагрузка питается через инвертор. Энергия на шинах постоянного напряжения инвертора поддерживается двумя заряженными последовательно соединенными конденсаторами.
Рис. 8. Бестрансформаторная последовательная компенсация провала напряжения
Для остаточного напряжения равного 50 % может быть обеспечен номинальный уровень напряжения. В данном устройстве необязательные источники питания (конденсаторы) могут смягчить полное отключение электроэнергии на ограниченный период времени. Устройство обеспечивает возможность восстановления напряжения и при несимметричных провалах напряжения.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Abb системы динамического восстановления напряжения
Надежность электроснабжения Провалы напряжения оказывают особенно ощутимое влияние на непрерывные производственные процессы на химических, нефтеперерабатывающих, машиностроительных и других предприятиях со сложной технологической цепочкой выпуска продукции, где для останова и возобновления процесса требуется от нескольких часов до нескольких суток. СЕТИ ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ |
Степень чувствительности к ПН | Критичные участки | Количество провалов, (%) |
1 | Реле защиты (33%) и контакторы (14%) | 47 |
2 | Источники постоянного тока: ПК (7%), контроллеры (7%), системы включения-отключения (5%) | 19 |
3 | Трехфазные источники питания типа Mагнетрон | 12 |
4 | Вакуумные насосы | 12 |
5 | Турбонасосы | 7 |
6 | Электроприводы переменного тока | 2 |
Для определения границы чувствительности необходимо проводить замеры, которые дадут представление о чувствительности оборудования.
Крайне важно определить порог чувствительности тех элементов, которые отвечают за выполнение всего технологического процесса на промпредприятиях, чтобы предотвратить остановы (табл. 2).
Таблица 2. Порог чувствительности для каждого вида электроприемника или элемента управления системами электроснабжения (по данным EPRI)
Тип оборудования | Остаточное напряжение, % | Максимальная продолжительность провала, мс | |
Пускатель электродвигателя | 50 | 40 | |
Двигатель с переменной частотой вращения | 85 | 10 | |
Контроллер с программируемой логикой | 50–90 | 8–20 | |
Частотный преобразователь | 82 | 1,5 | |
Регулируемые электроприводы | 50–80 | 2–3 | |
Контроллер технологического процесса | 70 | пр , с); Эти данные являются характеристикой системы электроснабжения. ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА НА ПРЕДПРИЯТИИ ОТ ПН Для выбора средств и методов борьбы с ПН необходимо определить экономический ущерб, обусловленный ПН. Исходные данные для расчета ущерба:
Экономический ущерб на предприятии, вызванный ПН, предлагаем определять по следующим критериям:
Без учета ущерба от низкого качества электроэнергии невозможно корректно подсчитать экономический эффект от повышения надежности технических систем как при проектировании, так и в эксплуатации. Приведем несколько примеров, ярко показывающих, как ПН влияют на работу электрооборудования и какой экономический ущерб они могут нанести. На заводе по выпуску высоковольтного кабеля зарегистрировано 25–30 ПН в год, которые приводят к останову производства. При останове линии каждый раз отрезается, к примеру, 300 метров кабеля, который считается браком. 1 погонный метр кабеля стоит 150 долларов США. Технология изготовления кабеля предусматривает загрузку линии на 1000 м (бухта). Это означает, что оставшиеся 700 м – неликвид, который может быть нереализованным. Поэтому нетрудно просчитать потери из-за одного останова. Украинский машиностроительный завод по производству двигателей для авиапромышленности вытачивает на станках с числовым программным управлением лопатки двигателей более месяца. В момент провала сбивается автоматическая программа по микронной обработке, что безусловно приводит к браку продукции. Выбор технических решений, минимизирующих последствия ПН, должен основываться на расчете экономического ущерба, обусловленного ПН для данной технологической установки или производственного процесса. МЕРЫ, МИНИМИЗИРУЮЩИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПН В СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
УСТРОЙСТВА, МИНИМИЗИРУЮЩИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПН Источники бесперебойного питания (ИБП) Учитывая достаточно высокую стоимость ИБП при небольшой мощности, такими источниками можно снабжать лишь самых ответственных потребителей – системы РЗА, компьютеры диспетчерских пунктов, которые получают и обрабатывают информацию о ходе технологического процесса [12]. Применение ИБП позволяет устранить влияние колебаний напряжения в сети, а также дает возможность безаварийного останова установки при прекращении электроснабжения. Кроме того, автономные источники питания можно использовать в цепях возбуждения синхронных двигателей, которые обладают гораздо меньшей мощностью, а снижение вращающего момента при провале питающего напряжения с сохранением напряжения возбуждения окажется гораздо меньшим, что позволит двигателю остаться в работе. Стабилизаторы напряжения Для питания однофазных или небольших трехфазных потребителей (сеть освещения, ответственная компьютерная техника, лазерные маркеры), которые способны выдерживать ПН до 70% остаточного напряжения и выдерживают время провала не более 0,5 с, целесообразно применять стабилизаторы напряжения. Мощность их может колебаться от 500 В·А до 30 и более кВ·А. В трехфазных сетях применяют три однофазных стабилизатора, включенных по схеме «звезда», которые регулируют напряжение отдельно на каждой фазе. Однако их недостатком является низкое быстродействие. Конденсаторные накопители энергии (КНЭ) Современные электронные устройства для защиты требуют вспомогательного питания. Если такого питания нет, а используется только питание основного источника от трансформаторов напряжения, тогда при любом КЗ напряжение может упасть до уровня, когда защитное устройство уже не сможет работать и не произойдет автоматическое отключение. В настоящее время источником энергии для управления выключателем может служить внешний блок с конденсаторными батареями. Питание такого блока может быть организовано от оперативного тока переменного или постоянного напряжения, от трансформатора собственных нужд или измерительного трансформатора напряжения. Построение релейной защиты с использованием внешних конденсаторных блоков способно обеспечить достаточное количество энергии для управления выключателем после исчезновения напряжения питания. К примеру, конденсаторное накопительное устройство (КНЭ-110) после полной зарядки внутренних конденсаторов сохраняет возможность управления выключателем в течение длительного времени [13]. Регуляторы напряжения постоянного тока (РНПТ) Регуляторы напряжения постоянного тока для компенсации ПН и отключения питания (РНПТ, или DVC) выполняют следующие функции:
РНПН подключаются параллельно непосредственно к шине постоянного тока и рассчитаны на мощность от 5 кВт до 1300 кВт [13]. Возможные варианты регуляторов:
Рис. 1. Принципиальная схема устройства РНПТ-R Рис. 2. Принципиальная схема устройства РНПТ-C НДЭС – накопитель с двойным электрическим слоем (ионистор, ультраконденсатор) Рис. 3. Принципиальная схема устройства РНПТ-U Преимущества регуляторов напряжения постоянного тока (РНПТ):
Динамические компенсаторы искажений напряжения (ДКИН) ДКИН представляет собой устройство с двукратным преобразованием напряжения, вход которого подключен к системе электроснабжения. Выход ДКИН через управляемый инвертор и через вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) подключен к нагрузке. Вторичная обмотка ВДТ включена последовательно с нагрузкой, и в ней наводится напряжение, компенсирующее ПН в СЭС. Система управления непрерывно контролирует напряжение поставки и сравнивает его с заданным пороговым уровнем напряжения. Если напряжение поставки меньше заданного значения, преобразователь источника напряжения немедленно начинает вводить дифференциальное напряжение и поддер-живать номинальное напряжение на стороне нагрузки ( U H ). ДКИН предназначен для того, чтобы компенсировать влияние ПН на линиях, питающих чувствительное оборудование. Нормальное электроснабжение осуществляется и при провалах напряжения в питающей системе электроснабжения, в связи с тем что ДКИН регулирует напряжение на нагрузке, приближая его к номинальному значению и отключая КНЭ от энергосистемы. ДКИН обеспечивает за 1–2 мс отклик на ПН с последующим регулированием напряжения наполовину в течение 1 мс и полным восстановлением напряжения за 10 мс. ДКИН обеспечивает полную компенсацию ПН в пределах номинального при перегрузках по току в 200% в течение не менее 30 с, частичную компенсацию при трехфазных ПН вплоть до 50% и однофазных провалах до 55% в течение не менее 30 с [15]. Активные регуляторы напряжения (АРН) АРН – это трехфазное устройство, используемое в сетях среднего и низкого напряжения для компенсации ПН, фазовой погрешности, несимметрии и скачков напряжения. При этом оно осуществляет постоянное регулирование напряжения. АРН включает вольтодобавочный трансформатор с силовой электроникой с выпрямителем, инвертором и высокоскоростным процессором. Стандартный АРН не требует накопителя энергии, поскольку он извлекает дополнительную энергию, требуемую для регулирования напряжения, из системы питания. Так, 10% трехфазный ПН заставит АРН извлечь на 10% больше тока, чтобы обеспечить повышение напряжения для компенсации провала. Благодаря использованию IGBT-технологии стала возможным мгновенная компенсация ПН. Принцип действия АРН следующий: первичная обмотка трансформатора подсоединена последовательно к нагрузке, а вторичная — к силовой электронике. При возникновении ПН, который регистрируется датчиками на первичной обмотке, ток из линии преобразуется в постоянный ток выпрямителем, инвертор получает энергию из выпрямителя и подает напряжение на вторичную обмотку трансформатора с измененной амплитудой и фазовым углом, способным скомпенсировать ПН. Время отклика на ПН составляет 1 мс, и полная компенсация обычно составляет 4–5 мс. АРН защищает те нагрузки, которые чувствительны к изменениям напряжения и являются неотъемлемой частью производственного процесса. Размеры АРН мощностью 1 МВт сопоставимы с ИБП мощностью 300 кВ·А. АРН является источником питания с малым внутренним полным сопротивлением, поэтому промышленные нагрузки не влияют на работу АРН. КПД АРН составляет 99%, в то время как у ИБП – 93%. Расчет АРН основывается на знании глубины ПН и мощности нагрузки, а мощность ИБП должна превышать мощность нагрузки на 10–20% [13]. Устройства для компенсации ПН в управляющих нагрузках (УКПН) Подробная информация о конструкции, выборе таких устройств представлена в [13]. УКПН состоит из последовательно соединенного коммутирующего переключателя и подключенного параллельно к нагрузке инвертора. Энергия хранится в конденсаторной батарее. Статический коммутатор может противостоять большим броскам тока. Он идеально подходит для работы электромагнитного пускателя, когда большие короткие броски тока появляются в момент подачи питания. Инвертор создан таким образом, что его мост защищен от бросков тока и КЗ. Синусоида на выходе имеет прямоугольное колебание, у которой действующее и пиковое значение напряжения такое же, как и у синусоидального колебания. Это важно для цепей, у которых магнитные устройства (трансформаторы и электромагнитные пускатели) находятся в цепи с электронными реле, питающимися напряжением постоянного тока от входных конденсаторных фильтров. В резервном режиме работы коммутирующий переключатель направляет энергию прямо к нагрузке, инвертор отключен, а конденсаторы заряжаются до полного номинального напряжения. Напряжение в системе питания постоянно контролируется. Когда происходит отклонение напряжения выше номинального, переключатель отключается и инвертор срабатывает. Срабатывание происходит меньше чем за 200 мкс. Такие однофазные устройства производятся на токи от 2 А до 25 А и имеют невысокую стоимость.
|
© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна
Источник
Adblockdetector