Тема: Устройства защиты от провалов напряжения
Исполнитель: Ермолаев Константин Витальевич, студент гр. 941
Руководитель СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация" Русинов Владислав Леонидович
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.
Схема использования маховика для компенсации провалов напряжения
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.
Схема использования ИБП для компенсации провалов напряжения
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.
Схема использования ДКИН для компенсации провалов напряжения
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 Qстатком 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.
Статический компенсатор
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.
Параллельно подсоединенный СД и маховик
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.
Активный фильтр
Рис. 7. Активный фильтр
В случае возникновения провала напряжения бестрансформаторная схема компенсации провала напряжения (рис. 8) открывается и нагрузка питается черезинвертор. Энергия на шинах постоянного напряжения инвертора поддерживается двумя заряженными последовательно соединенными конденсаторами.
Бестрансформаторная последовательная компенсация провала напряжения
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.
