По имеющимся оценкам, проблемы качества электроэнергии обходятся промышленности и в целом деловому сообществу Европейского Союза (ЕС) около 10 млрд. евро в год. При этом наиболее часто встречающейся аварией для энергосетей развитых стран являются провалы напряжения - кратковременное понижение напряжения, связанное с резким увеличением нагрузки в сети.
Совсем другая картина наблюдается в электросетях России и других стран бывшего Советского Союза (теперь стран СНГ). Начнем с того, что повышенное напряжение в отечественных сетях, встречается так же часто, как и пониженное. Сбои электропитания, вызванные изменением частоты, «обгоранием нуля», высоким уровнем электромагнитных помех, наличием постоянной или высокочастотной составляющей напряжения.
Наиболее часто встречающейся аварией в электросетях России, как и в США, является пониженное напряжение. Однако, в отличие от кратковременных провалов напряжения, характерных для большинства стран, для нас более характерны длительные просадки напряжения, имеющие ярко выраженный циклический или сезонный характер.
Постоянно пониженное напряжение наблюдается в сельских и загородных сетях. Это связано, в первую очередь, с большой протяженностью сетей, а во вторую очередь, недостатком генерирующих и преобразующих мощностей. Этот фактор нисколько не учитывался при проектировании и массовом строительстве дачных поселков, вызванных «бумом» 90-х годов прошлого века.
Не менее часто на территории РФ встречаются зоны или даже целые регионы с постоянно повышенным напряжением.
Способы защиты электрооборудования.
Как показывает практика, в подавляющем большинстве случаев нарушения качества электроэнергии, наиболее действенным и эффективным способом решения проблемы, если не сказать единственным, является стабилизация сетевого напряжения: автоматическое поддержание уровня напряжения в определенных, заранее заданных пределах. Применение стабилизаторов становится совершенно необходимым в сетях с постоянно пониженным напряжением или для питания особо ответственных потребителей, где использование других средств поддержания качества электроэнергии не обеспечивает достаточной точности и качества выходного напряжения. Кроме того, стабилизаторы напряжения, в той или иной степени, стали ключевыми элементами других более сложных устройств, таких как бустерные ИБП или сетевые кондиционеры.
1. Стабилизаторы напряжения.
Все стабилизаторы напряжения можно подразделить на 2 большие группы: параметрические и компенсационные.
Параметрические стабилизаторы - это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет использования свойств нелинейных элементов: насыщенных дросселей, нелинейных конденсаторов, карборундовых резисторов и др. К данному типу относятся: стабилизаторы с подмагничиванием трансформатора, магнитные стабилизаторы, высокочастотные стабилизаторы, системы с двойным преобразованием энергии. В практической области наибольшее распространение получили
Департамент технического развития ОАО «МРСК Центра»
феррорезонансные стабилизаторы, использующие нелинейные свойства насыщенного дросселя.
Компенсационные стабилизаторы - это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения на регулирующий орган через цепь обратной связи. Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования (из-за чего их иногда называют регуляторами напряжения), где ток через регулирующий орган проходит непрерывно или импульсно. Для широкого применения наибольшее распространение получили электромеханические (сервоприводные, электродинамические) стабилизаторы напряжения и ступенчатые корректоры напряжения (дискретные, ключевые стабилизаторы).
Кроме этого стабилизаторы можно разделить на 3 большие группы по номинальной мощности (без учета принципа действия):
- 0,3-30 кВА - для бытовых потребителей;
- 30-100 кВА - для отдельных групп промышленного оборудования;
- 100-450 кВА - для групповых потребителей.
С учетом особенностей принципов используемых в устройствах стабилизации напряжения для средней (30-100 кВА) и большой (более 100 кВА) мощности, применяются 3 типа стабилизаторов:
- ступенчатые корректоры напряжения (стабилизаторы со ступенчатым регулированием);
- электромеханические стабилизаторы с электроприводом;
- стабилизаторы с подмагничиванием трансформатора;
- магнитные стабилизаторы.
Все стабилизаторы на рынке, представлены в 2-х конструктивных исполнениях: однофазные и трехфазные.
Однофазные стабилизаторы представлены значительно шире, чем трехфазные и по производителям и по принципам действия, их особенность в том, что в однофазном исполнении выпускаются стабилизаторы малой мощности, в основном до 30-50 кВА.
Трехфазный стабилизатор напряжения - фактически представляет собой комбинацию однофазных стабилизаторов, так как регулировка трехфазного напряжения осуществляется по каждой фазе отдельно. Выравнивая фазные напряжения, получаем в результате стабильное линейное напряжение.
Рассмотрим варианты схемотехнического и конструктивного построения трехфазного стабилизатора напряжения.
Вариант 1. «Экзотический»
Стабилизаторы напряжения с таким построением управления встречаются нечасто и имеют весьма ограниченную область применения. Проблема в том, что измерение напряжения
осуществляется только по одной фазе, а регулирование одновременно по всем трем.
Теперь представим типичную ситуацию, когда входное напряжение по первой фазе 200В, а на второй 250В. В результате на выходе по первой фазе будет 220В, на второй 270В соответственно.
Классическое построение трехфазного стабилизатора напряжения, выполненного в едином корпусе. Измерение и регулирование напряжения
осуществляется по каждой фазе отдельно. Защитное отключение по выходному напряжению, перегрузке, перегреву может быть как общим на все три фазы (см. рисунок), так и раздельно по каждой фазе.
Вариант 2. «Моноблок»
Вариант 3. «Комбинированный»
Три однофазных стабилизатора напряжения, подключенных к трехфазной сети. Четвертый корпус - щиток с контактором и реле контроля фаз (РКФ). Как правило, максимальная
мощность однофазных стабилизаторов напряжения составляет до 20 кВА и соответственно скомплектовать при такой схеме трехфазный стабилизатор напряжения можно лишь до 60 кВА.
Данная схема удобна в транспортировке, ремонте и обладает более высокой «живучестью». Например, если отказал стабилизатор по одной фазе, то он переводится в режим прямого включения, тогда как стабилизация по двум оставшимся фазам продолжает работать в штатном режиме, что во многих случаях обеспечивает работу нагрузки до проведения ремонтных работ.
Рассмотрим подробнее принципы действия стабилизаторов.
1.1 Электромеханические стабилизаторы напряжения
Принцип действия: блок управления отслеживает напряжение на входе стабилизатора и при его понижении с помощью механического привода перемещает "бегунок" вниз по схеме, при этом напряжение на выходе повышается. При достижении напряжения 220В на выходе стабилизатора, блок управления останавливает "бегунок".
При повышении напряжения на входе блок управления с помощью механического привода перемещает "бегунок" вверх по схеме, при этом напряжение на выходе будет понижаться. Таким образом, на выходе стабилизатора поддерживается стабильное напряжение 220В, разумеется, с некоторой погрешностью, это показано на графике.
Погрешность напряжения на выходе указывается в паспортных характеристиках стабилизатора. Также в каждом стабилизаторе присутствует защита от КЗ и перегрузок по току, в некоторых моделях имеется защита от перегрева обмоток трансформатора. Следует отметить, что данная схема лишь поясняет принцип работы стабилизаторов напряжения электромеханического типа. В реальности схемы гораздо сложение, и могут иметь несколько обмоток трансформатора, большее количество защит и т.п. Это определяет каждый производитель самостоятельно и, как правило, схемотехнические решения не разглашает.
Типовая схема электромеханического стабилизатора напряжения БУ - блок управления МП - механический привод "бегунка"
1.2 Электронные стабилизаторы напряжения
Типовая схема электронного стабилизатора напряжения
Принцип действия электронного стабилизатора напряжения основан на переключении обмоток автотрансформатора, в зависимости от входного напряжения, которое отслеживает блок управления. Переключаются обмотки с помощью электронных ключей (симмисторов или тиристоров), это обеспечивает быстрое переключение обмоток без разрыва синусоиды. Как видно из графика напряжение на выходе меняется ступенчато, но в заданном интервале, который указывается в паспорте стабилизатора. Стабилизаторы напряжения данного типа являются более надежными т.к. отсутствуют механические подвижные части. Как правило, блоки управления изготовлены с применением микропроцессоров, поэтому у этих стабилизаторов возможно большое количество сервисных функций.
1.3 Феррорезонансные стабилизаторы напряжения.
В основе принципа действия заложен принцип работы феррорезонансного трансформатора. Феррорезонансный трансформатор представляет собой совокупность двух магнитных цепей со слабой связью между ними. Выходная цепь содержит параллельный колебательный контур, подпитываемый от первичной цепи для компенсации мощности, поступающей в нагрузку.
Электрическая схема феррорезонансного стабилизатора напряжения: U вх - напряжение сети 127/220 в; U вых - стабилизированное напряжение 220 в; Др 1 - насыщенный дроссель; Др 2 - ненасыщенный дроссель; ATP - автотрансформатор; С - конденсатор; Пр 1, Пр 2 - предохранители для сетевого напряжения 220 и 127 в; W x - компенсационная обмотка; Л - контрольная лампочка.
Ненасыщенный дроссель Др 2 и конденсатор С образуют феррорезонансный контур, с которого снимается выходное стабилизированное напряжение. Внутреннее сопротивление стабилизатора значительно меньше сопротивления номинальной нагрузки. Такой стабилизатор при напряжении сети 127 ±19 38 В или 220 ± 33 В (при колебаниях частоты в пределах 49,5-50,5 Гц) обеспечивает заданное выходное напряжение.
Сам процесс ферромагнитного резонанса вполне аналогичен резонансу в линейных цепях, состоящих из индуктивностей и емкостей. В нелинейной цепи, такой как феррорезонансный трансформатор, резонанс используется для уменьшения колебаний напряжения во вторичной цепи.
В феррорезонансном трансформаторе одна из магнитных цепей (выходная) находится в режиме насыщения, а другая (входная) не достигает насыщения.
Они имеют нейтрализующую обмотку, специально предназначенную для уменьшения гармонических искажений выходного напряжения.
Нейтрализующая обмотка устроена так, что в ней генерируются гармоники, находящиеся в противофазе к гармоникам в основной выходной обмотке. Правильный подбор числа витков и магнитных сопротивлений позволяет полностью компенсировать гармонические искажения. Более того, применение феррорезонансного трансформатора позволяет почти полностью уменьшить гармонические искажения выходного напряжения.
При полной нагрузке феррорезонансный трансформатор обеспечивает стабилизацию напряжения с погрешностью около 1 % при изменении напряжения на входе на 15 % относительно номинального. Наибольшие возможности феррорезонансный трансформатор предоставляет, если его нагрузка меньше номинальной. Так, при нагрузке около 50 %, диапазон входных напряжений невероятно расширяется: более чем до 50 % от номинального входного напряжения.
Особенностью входной характеристики трансформатора является то, что в режиме холостого хода резонансная цепь феррорезонансного трансформатора находится под напряжением и потребляет около 10 % номинальной мощности трансформатора. В тепловом отношении режим холостого хода является наиболее напряженным для феррорезонансного трансформатора.
Феррорезонансный трансформатор способен выдерживать любые перегрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение уменьшается, и трансформатор не перегревается. Даже при коротком замыкании выходной ток трансформатора ограничивается примерно 150-200 % от номинального тока. Суммарная мощность, потребляемая трансформатором от сети во время короткого замыкания, не превышает 10 % номинальной.
Основаны на компенсации изменения напряжения сети путем регулирования коэффициента трансформации за счет локального подмагничивания стержней автотрансформаторов со специально выполненным магнитопроводом и системой обмоток. Подмагничивание осуществляется с помощью тиристорного регулятора.
Стабилизаторы данного типа используют в качестве регулирующего элемента дроссель насыщения.
Главная особенность этих стабилизаторов - зависимость инерционности от коммутируемой мощности.
Входное напряжение поступает на клеммы Шх и соответственно на обмотки Ш1 и дроссель насыщения Др1.
Нагрузка подключается к ивых. Параллельно трансформатору включается контур из последовательно соединенных дросселя Др2 и конденсатора С1. Контур настроен на третью гармонику сети и служит для улучшения формы кривой стабилизированного напряжения.
Параллельно нагрузке
(Шых) включен дроссель ДрЗ, который расширяет диапазон стабилизации напряжения при изменении тока нагрузки. К обмотке управления («Упр») подключается электронный блок управления. При увеличении, например, входного напряжения или уменьшении тока нагрузки, его выходное напряжение стремиться, так же увеличиться. С электронного блока поступает сигнал, увеличивающий насыщение дросселя Др1 и тем самым уменьшающий величину выходного напряжения. При уменьшении входного напряжения процесс идет с уменьшением тока насыщения дросселя. Таким образом, осуществляется стабилизация выходного напряжения.
Такие стабилизаторы характеризуются высокими перегрузочными способностями, но имеют ограниченный диапазон регулирования и повышенный коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения по сравнению со ступенчатыми корректорами напряжения.
- Стабилизаторы с магнитным преобразованием.
Стабилизаторы с магнитным преобразованием основаны на известном принципе регулирования индуктивности путем изменения воздушного зазора:
Виртуальный воздушный зазор реализован на практике между основной и управляющей катушкой стабилизатора. Управление выходным напряжением происходит за счет влияния управляющей катушки на магнитную проницаемость основной катушки.
- Стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием энергии
Содержат выпрямитель и транзисторный инвертор с ШИМ управлением, обеспечивающий стабильное синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц. В настоящее время находятся в стадии промышленного освоения.
