TLL Media | Инженеринг ревю | IndustryInfoBG | South-East European INDUSTRIAL Market | Български Технически Каталог | Енерджи Инфо БГ | ТД ИНСТАЛАЦИИ | Екология & Инфраструктура
 
 
 
TLL Media Българското специализирано техническо списание за енергетика
НАЧАЛО     ENGLISH
Търси
TLL Media
TLL Media
ИздателствотоЗа изданиетоАрхивАбонамент РекламаКонтактиПредстоящо
TLL Media
 

ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА

Енерджи ревю » Сп. Енерджи ревю - брой 6, 2011, Декември
Корекция на фактора на мощността

Повишаването на енергийната ефективност чрез намаляване на енергийните разходи се явява един от пътищата не само за повишаване на конкурентоспособността на предприятията, но и за повишаване на техните екологични показатели. Сред възможните начини за постигането на тази цел е намаляване на разходите за електроенергия благодарение на по-пълното й оползотворяване и ограничаване на загубите. По тази причина и производителите на електроапаратура полагат все повече усилия за подобряване на ефективността на електроенергията, с оглед на това по-малка част от нея да се губи или ненужно да се предоставя на консуматора, без да върши работа. Този проблем е добре познат, поради което и подобряването на фактора на мощност или cosj (Displacement Factor) е сред основните задачи на енергетиците и производителите на електроапаратура. Известно е, че приближаването на cosj до единица, води до икономия на електроенергия. Не по-малък е и проблемът със загубите поради несинусоидалната форма на тока на консуматорите, която налага в изискванията за качество на доставяната електроенергия към стойността на напрежението и честотата да се прибавя и максимална близост на формата му до синусоидата.

Както е добре известно, активната мощност (Real Power, True Power) зависи от моментните стойности на напрежението u и тока i на консуматорите и се определя за един техен период. Тя се измерва във W и основната й част върши работа. Другата част от активната мощност се определя от енергийни загуби. Привидната мощност (Apparent Power, Total Power) Papp=UIRMS е реално доставената от електрическата мрежа на консуматора и зависи от ефективната стойност U на неговото напрежение (на практика то винаги е синусоидално) и средноквадратичната стойност IRMS на тока му. Измерва се във VА. В линейните товари и токът е синусоидален, при което IRMS е неговата ефективна стойност. В нелинейни товари токът не е синусоидален и IRMS се определя от ефективните стойности In на неговите хармоници. Факторът на мощност на консуматора представлява отношението PF = P/Papp.

Токът на активните товари
освен синусоидален е и във фаза с напрежението. За електрическата мрежа тези товари представляват съпротивление R=U/I и имат cosj =  1. В случая на линейни товари с индуктивен характер като електродвигатели, трансформатори и индукционни пещи, токът изостава от напрежението на ъгъл j. Активната мощност в случая е P=UIcosj, но освен нея, консуматорът има нужда и от реактивна мощност (Reactive Power) Pr=UIsinj. Тя не извършва работа и служи за създаване на необходимото за работата му магнитно поле и на неизбежното разсейвано магнитно поле. Измерва се във vаr. Реактивната мощност се доставя от електроцентралите, създава загуби по електропроводите и електрическата мрежа, но консуматорите не желаят да я заплащат. Привидната мощност на линейните товари с индуктивен характер e Papp = v(P2 + P2r), а PF е равен на cosj. Графично трите мощности се представят чрез триъгълника на мощностите (фиг. 1). Видно е, че намаляването на j и, съответно, приближаването на cosj към 1 изисква намаляване на доставяната от мрежата реактивна мощност.

За оценката на наличните хармоници се използва коефициентът на формата kD = I1/IRMS, а коефициентът на нелинейни изкривявания на тока е THD = 100jЦ(1/k2D - 1), %. За практиката е важно, че точното определяне на kD може да се направи чрез хармониците на тока.

При несинусоидален ток
с фазова разлика j спрямо напрежението факторът на мощност е PF=kDcosj и за осигуряване на дадена активна мощност на консуматора е необходима привидна мощност Papp = P/ kDcosj.

Докато проблемите поради cosj и методите за намаляването им са добре известни, то на kD обикновено се обръща внимание само в апаратури с голяма мощност. Посочваната причина е, че усложняването и оскъпяването на маломощните апаратури не се оправдава с икономията на неголяма мощност. Това, обаче, се оказва не съвсем вярно твърдение поради сравнително простите и евтини технически решения за реализация на PFC и заради много голямото количество налични апаратури.

Допълнителна причина за увеличаване на kD е, че хармониците могат да се разпространяват по мрежата и да пречат на работата на други устройства, свързани към нея, както и да се излъчват. Достигането им до съоръженията в електроцентралите допълнително увеличава тяхната температурата с всички нежелани последици от това, например намаляване на експлоатационния им срок. Хармониците предизвикват допълнителни загуби на енергия поради скин ефект в кабелите и трансформаторите. Освен това, намаляването на хармониците до допустимите норми чрез филтри и екраниране в много случаи може да се окаже по-скъпо, отколкото чрез използване на PFC. И не на последно място, повишаването на kD означава по-малки енергийни загуби в консуматорите.

Максимално допустимите стойности на хармониците
в тока на променливотокови товари се фиксират от международни класове и норми. Създадената през 1995 г. норма IEC1000-3-2 на Международната електротехническа комисия, която от 2001 г. е повторена като европейската норма EN61000-3-2 фиксира допустимите амплитуди на хармониците в мрежата до 39-я включително, създавани от нисковолтови консуматори с ток във всяка фаза до 16 А. Според тях, електрическите уреди се разделят на 4 класа от А до D. Клас А обхваща балансирани трифазни уреди, домакински уреди, които не са в клас D, стационарни електрически инструменти, регулатори на силата на светене на лампи с нажежаема нишка и звуковъзпроизвеждащи апаратури. Изискванията са за PF, не по-малък от 0,9. Клас В включва преносими електрически инструменти и непрофесионални апарати за електрозаварки. Клас С се отнася за осветителни тела. Добре е да се има предвид, че при луминесцентни лампи изискването е отношението на максималната и средноквадратичната стойност на тока, наречено коефициент на формата (Сrest Factor), да не надхвърля 1,7. В клас D се включват персонални компютри, монитори за тях, радио- и телевизионни приемници с мощност от 75 до 600 W. При тях е необходимо токът да е практически синусоидален и PF»1.

Добре е да се има предвид, че засега не съществуват норми за хармониците на апаратури с мощност до 75 W.

Пасивна и активна корекция на фактора на мощността
Допълнителна желана, но не винаги реализируема функция на корекцията на фактора на мощност (PFC) е да поддържа неизменна мощност върху товара при промени на мрежовото напрежение в широки граници, например от 85 до 264 V.

В зависимост от схемната реализация, съществуват два основни типа – пасивна корекция (Passive PFC) и активна корекция (Active PFC), като втората е със значително по-голямо приложение.

Пасивната корекция е проста и евтина и използва свойството на индуктивността да не позволява резки промени на тока през нея. Простотата на тази корекция и малките загуби на енергия под формата на топлина я правят подходяща за мощни захранвания, особено на трифазни товари. Тя лесно може да се прибавя към съществуващи захранвания. Например, с пасивна корекция към токоизправителя на електролуминесцентни лампи може да се постигне PF > 0,95. Чрез нея сравнително лесно се удовлетворяват изискванията на клас А при мощности до около 250 W. Основни недостатъци, които ограничават множество приложения, са неголемите типични стойности на PF (обикновено до около 0,75) и значителният обем и тегло на LPFC. Освен това, за работа с различни мрежови напрежения е необходим допълнителен превключвател. Също така, изискванията на EN61000-3-2 не винаги могат да бъдат изпълнени чрез използване на пасивна корекция.

Активната корекция осигурява много по-добро потискане на хармониците, а стойността на PF може да надхвърли 0,98. Тя дава възможност за работа в широк обхват на мрежовото напрежение, но е възможно да се вгражда само в нови апаратури. Към недостатъците се отнасят по-сложната и скъпа схема, по-голямата отделяна топлина и намаляването на надеждността на захранването.

Активната корекция се реализира чрез видоизменение на класическата схема на повишаващ преобразувател на постоянно в постоянно напрежение (Boost Converter), което осигурява форма на консумирания ток, съвпадаща с тази на мрежовото напрежение. Повишаването означава постоянно изходно напрежение UPFC, по-голямо от амплитудата на мрежовото напрежение. И тъй като тази корекция позволява работа в споменатите широки граници на мрежовото напрежение, стойностите на Uo са около 385 V. Реално, получаваните стойности на kD надхвърлят 0,9 и в някои случаи достигат до 0,999.

Съществуват два основни режима на работа на активната корекция
за всеки от които има една или няколко категории контролери. Наименованието на прекъснатия режим (Discontinuous Current Mode) DCM следва от факта, че токът iL се нулира за определена част от периода си. Реално, почти изцяло се използва критичният режим (Critical Conduction Mode, Transition Mode, Boundary Conduction Mode) CRM, при който нулирането е за безкрайно кратко време.

Предимствата на CRM са простото проектиране, ниската цена на ИС, нестрогите изисквания към параметрите на диодите в мостовия токоизправител и липсата на загуби върху транзистора при отпушването му. Основен недостатък е променящата се честота, което затруднява филтрирането на смущенията. Последното е основната причина за приложение на CRM в захранвания с мощност до около 200 W, например използваните в осветленията.

Вторият основен вид е режимът с непрекъснат ток (Continuous Current Mode) CCM, чието наименование показва, че токът iL не се нулира. Първата негова разновидност е режимът с усредняване на тока (Average Current Mode Control).

Методът се препоръчва за товари с мощност над 100 W и води до малко по-скъпи схеми в сравнение с CRM.

Съществуват контролери за PFC, съчетаващи методите CRM и АСМ.
Втората разновидност на ССМ се нарича метод с формиране на входния ток (Input Current Shaping Method) ICS. При него не е необходим сигнал, пропорционален на пулсиращото напрежение, но чрез резистор Rs във веригата на тока iL се получава напрежение uL=RsiL, също подавано на управляващия блок СС. В последния не се използва умножител. Важна особеност на метода е, че за да има средната стойност формата на пулсиращото напрежение up, е необходимо пулсациите на тока да са малки. Това се постига чрез достатъчно голяма индуктивност на бобината L.

Съчетаване на свойствата на DCM и ССМ е осъществено в най-новия и патентован метод на еднотактово управление (One Cycle Control) OOC. С него се реализират повишаващи PFC с фиксирана честота.

С пасивна и активна PFC се реализират импулсни захранвания с PFC. Тъй като увеличаването на kD означава по-малка отделена мощност в импулсното захранване, освен споменатите общи предимства, това води до опростяване на топологията на печатните платки и намаляване на размерите им. Същевременно може да се използва по-малък, по-бавен или никакъв вентилатор. Така се намалява излъчваният акустичен шум и захранването по-лесно може да влезе в категорията безшумни захранвания (Quiet Power Supply, Silent Power Supply). Акустичният шум е специфичен параметър с типични стойности между 16 и 21 dB(A), което означава, че вентилаторът не се чува. Шумът въобще не съществува в импулсните захранвания без вентилатори (Fanless Power Supply), но тяхната максимална мощност засега не е голяма.

Най-простата разновидност на PFC е подобряването на cosj. Триъгълникът на мощностите на линейни индуктивни товари е повторен на фиг. 2а с допълнителен индекс L на величините му. Добре известното свързване на кондензатор успоредно на товара (фиг. 2б) въвежда отрицателна реактивна мощност PrC, без да променя активната мощност на товара. Резултатът е намаляване на реактивната мощност до Pr = PrL – PrC и получаване на cosj > cosjL. При известни активна мощност Р и cosjL на товара, за получаване на желан cosj е необходимо върху кондензатора да има реактивна мощност PrC[kvar] = (cosj/cosjL - 1)P[Kw], той е с капацитет C[mF] = 6,58PrC[kvar] и да издържа максимален ток ICm[A] = 0,793Ц(C[mF]PrC[kvar]). Тези формули са в сила за електрическа мрежа 220 V/50 Hz. Добре направената корекция трябва да осигурява cosj > 0,9.

При електродвигатели без регулиране на оборотите се използва статична корекция, като токът на кондензатора се избира да е около 80% от тока на намагнитване. Най-простото й решение е коригиращият кондензатор и електродвигателят да се задействат с един изключвател. Това крие опасност от възникване на резонансни явления при отваряне на изключвателя, тъй като на реално съществуващия трептящ кръг се подава напрежение от въртящия се по инерция двигател. Това се избягва чрез втори изключвател за кондензатора.

Подобряването на фактора на мощността в инвертори
за регулиране на оборотите изисква особено внимание, тъй като през свързаните във входа им кондензатори могат да протекат големи токове (за високата честота на инвертора кондензаторите имат малък импеданс). Поради това се препоръчва монтирането им най-малко на 75 м от входа на инвертора. Чрез кондензаторите е възможно получаване на cosj дори над 0,95, но несинусоидалният характер на тока намалява PF на около 0,7. За повишаването му във входа се свързва подходящ дросел.
Значително приложение има плавният старт на електродвигателите, реализиран обикновено чрез подходящ управляващ електронен блок (Solid State Soft Starter). В този случай се препоръчва свързване, в което кондензаторът е на входа на блока. При пускане на електродвигателя чрез изключвателя, затварянето на изключвателя за кондензатора трябва да се прави едва след установяване на номиналния ток. Освен това спирането на електродвигателя трябва да се предшества от изключване на кондензатора. В противен случай преходните процеси поради кондензатора могат да повредят полупроводниковите прибори в електронния блок. Това е и една от причините да се предпочитат паралелно свързани кондензатори с неголям капацитет и всеки със собствен изключвател (кондензаторна батерия) вместо един голям кондензатор. При това, включването и изключването на кондензаторите не трябва да става едновременно.

Избор на кондензаторната батерия при статичната корекция
На специалистите им е добре известен нелекият избор на кондензаторната батерия при статичната корекция. Освен споменатите опасности от повреда, не е възможно винаги да се спазва изискването за компенсиране на 80% от тока на намагнитване, заложено в популярните таблици за избор. Поради това е за препоръчване корекцията на cosj да се прави в зависимост от кон¬кретните параметри на електродвигателя с помощта на програмни продукти, предлагани от някои производители на кондензаторни батерии.
Въпросът с повишаване на cosj съществува и при далекопроводите с високо напрежение. Голямата им дължина определя значителна индуктивност на проводниците и съответно изоставане на тока в товара (например на входа на трафопост) спрямо напрежението. И тук се използват кондензатори.

Пасивни филтри
Подобряването на PF при нелинейни товари е значително по-сложно. Токовете предизвикват допълнително нагряване на кондензаторите и намаляват експлоатационния им срок. Класическо средство за намаляване на хармониците са пасивни филтри (Passive Harmonic Filter, Absorbtion Filter). По своята същност най-често те са блок от заграждащи филтри (Filter Bank), всеки настроен на един от хармониците. Като специфичен параметър за оценка на потискането на съответния хармоник се използва отношението 20 lg(Z/0,1W) на импеданса на филтъра за хармоника и избрано за сравнение съпротивление (в случая 0,1 W). В каталозите то се нарича Impedance of Filter, означава се с Z(dB/0,1W) и се дава честотната му зависимост.

Нерядко се използват и нискочестотни Т-образни LC филтри (LCL Filter). Напоследък добива популярност използването на антирезонансни дросели (Detuning Reactor), свързвани последователно с кондензаторите. Идеята е така получената комбинация да има капацитивен характер до около 5-тия хармоник на работната честота на товара, а след нея – индуктивен характер. При това трябва да се внимава да не се получи резонанс при твърде опасния 3-ти хармоник. Допълнително предимство на тези дросели (откъдето са получили наименованието си) е намаляването на опасността от възникване на резонанс на товара и кондензатора, който е особено вероятен при маломощни товари. Често за избягването му се налага компромис с отдалечаване на cosj от 1.

Компенсатори на хармоници
Тяхното действие се счита за най-ефективно. Компенсаторите на хармоници (Harmonic Compensator, Active Harmonic Conditioner) представляват електронни устройства с вграден процесор. Той определя спектралния състав на несинусоидалния ток и чрез мощен модул (например реализиран с IGBT) всеки негов хармоник се индуцира в линията с обратна фаза, което означава компенсиране. При точно равенство на реалните и индуцираните хармоници се получава чисто синусоидален ток. Реално постигнатата компенсация се оценява чрез параметъра коефициент на потискане на хармониците (Harmonic Attenuation Factor) HAF = 100 (1 – IL/IS), %, в който IL е токът на произволен хармоник след компенсацията, а Is е токът му без нея.

Подобряване на фактора на мощността с кондензатори
За подобряване на cosj могат да се използват и кондензатори. Като диелектрик се използва хартия или полипропилен, а метализацията от едната или двете им страни представлява електродите. Някои от кондензаторите се импрегнират, обикновено с машинно масло. Полипропиленът има предимството на голяма диелектрична якост и осигурява самовъзстановяване на кондензатора (Self-Healting Capacitor) при пробив. Последният прогаря малък отвор в диелектрика без да прави късо съединение между електродите на кондензатора, който продължава да работи. Кондензаторите за напреженията на битовата мрежа нямат съществени особености в структурата, докато високоволтовите са по-различни. Структурата на последните представлява последователно свързани секции, всяка от които с определен брой единични кондензатори. Последователно на всеки от последните е поставен предпазител, който го изключва при повреда, докато останалите продължават да работят.

Основните параметри на кондензаторите са капацитетът (Rated Capacitance) CN, максималното напрежение (Rated Voltаge) UN, максималната реактивна мощност (Rated Power) QN и загуби на активна мощност (Capacitor Losses) с измерение W/kvar. Често условията на работа на кондензаторите обуславят значителни замърсявания на изолатора на изводите им. През тези замърсявания може да се получи късо съединение между извода и металния корпус на кондензатора. За избягването му изолаторът трябва да има достатъчна дължина. Поради това, за някои конструкции на кондензатори се дава и параметърът утечен път (Level of Polution), който представлява необходимата дължина за напрежение върху кондензатора 1 kV и има измерение mm/kV. Например, при кондензатор с утечен път 16 mm/kV и напрежение 11 kV, разстоянието между всеки от изводите му и корпуса, измерено по повърхността на изолатора, е 176 mm. При изключване на кондензаторите от мрежата те трябва достатъчно бързо да се разредят, поради което в много случаи те съдържат в корпуса си разряден резистор (Discharge Resistor).

По принцип, работният режим на контролираните товари може да се променя във времето, което налага постоянно измерване на PF. Същевременно е необходима и промяна на капацитета на коригиращата кондензаторна батерия, за да се запази cosj. Всичко това определя съществуването на специализирани уреди за измерване, както и такива за измерване и автоматична промяна на капацитета. Една от многото съществуващи възможности са кондензаторни батерии с вграден електронен уред за измерване на cosj и тока на товара. Друга разновидност са самостоятелните измервателни уреди (понякога наричани Power Factor Controller), които са със значително повече възможности. Третата група уреди съчетават измерване с управление на кондензаторната батерия.



Етикети:   корекция на фактор на мощност   енергийна ефективност   електоренергия   пасивна корекция   активна корекция  

« Назад
Via Expo
BPVA
Екология и Инфраструктура
 
TLL Media
WebDesignBG            © 2019 TLL Media        Начало   |   Политика за поверителност и защита на личните данни   |   Права за ползване   |   XML    
TLL Media
TLL Media