Коригиране на cosj

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2007

Коригиране на cosj

Технически решения за корекция на фактора на мощност

Сред начините за повишаване на конкурентността на един промишлен обект е намаляване на разходите за електроенергия посредством минимизиране на консумацията и ограничаване на загубите. Добре известен факт сред енергетиците и производителите е, че приближаването на cosj до единица води до икономия на електроенергия. Не по-малко важен е и проблемът със загубите вследствие на несинусоидалната форма на тока на консуматорите. Затова и изискванията на потребителите към качеството на доставяната електроенергия стават все по-високи. Това обяснява увеличаващото се внимание, което се отделя на техническите методи и средства за намаляване на загубите на електроенергия посредством подобряване на фактора на мощност. Техническите решения за подобряването му са известни като корекция на фактора на мощност PFC (Power Factor Correction).

Активна и реактивна мощност

Известно е, че 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 Т. Тя се измерва във W и основната й част върши работа, а другата част 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 че е 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, 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

PаppЦ(P2 + Pr2),

а PF е равен на cosj. Графично трите мощности се представят чрез триъгълника на мощностите (фиг. 1), който визуално показва, че намаляването на j и съответно приближаването на cosj към 1 изисква намаляване на доставяната от мрежата реактивна мощност.

Непрекъснато нараства количеството на консуматорите, при които токът може да е във фаза с напрежението, но има несинусоидална форма. Характерни примери са токоизправителите, апаратите за електрозаваряване, електродвигателите с регулиране на оборотите, импулсните захранвания, електронните баласти и индуктивните товари с наситен магнитопровод. Оценката на наличните хармоници се извършва чрез

Коефициента
на формата

(Distortion Factor) kD=(I1/IRMS), а коефициентът на нелинейни изкривявания (Total Harmonic Distortion) на тока е THD = 100 Ц(1/ kD2-1), %. Например на THD=10% съответства kD=0,995. 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 Pаpp=(P/kDcosj).

Докато проблемите поради cosj и методите за намаляването им са известни отдавна на енергетиците, на коефицента на формата kD доскоро се обръщаше внимание само в апаратури с голяма мощност. Мотивът бе, че усложняването и оскъпяването на маломощните апаратури не се оправдава с икономията на неголяма мощност. Това вече не е вярно поради сравнително простите и евтини технически решения за реализация на PFC и заради много голямото количество налични устройства.

Допълнителна причина за увеличаване на kD е, че хармониците могат да се разпространяват по мрежата и да пречат на работата на други устройства, както и да се излъчват. Достигането им до съоръженията в електроцентралите допълнително увеличава тяхната температурата с всички нежелани последици от това. 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 може в много случаи 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.

Електрическите уреди са четири класа

Международните класове имат за цел да фиксират максимално допустимите стойности на хармониците в тока на променливотокови товари. През 1995 г. е създадена нормата IEC1000-3-2 на Международната електротехническа комисия, която от 2001 г. е повторена като европейска норма EN61000-3-2. Тя 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.

Клас А включва 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 обхваща преносими електроинструменти и непрофесионални апарати за електрозаваряване. Клас С се отнася за осветителни тела. 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 попадат компютри, монитори, радио- и телевизионни приемници с мощност от 75 до 600 W. При тях токът трябва да е практически синусоидален и РF»1. За момента не съществуват норми за хармониците на апаратури с мощност до 75 W.

Корекция на cosj за импулсни захранвания

На входа на всяко импулсно захранване има безтрансформаторен мостов токоизправител с филтриращ кондензатор. Според добре известния принцип на работа кондензаторът се дозарежда бързо през малка част от периода на мрежовото напрежение. Това означава, че консумираният от мрежата ток има импулсен характер с амплитуда обикновено 5-10 пъти по-голяма от средната му стойност. Резултатът е много хармоници (основно нечетни) и типична стойност на фактора на мощността около 0,6 дори при липса на фазова разлика между тока и напрежението.

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

Пасивната корекция е елементарна и евтина, и използва свойството на индуктивността да не позволява резки промени на тока през нея. В основата й е дросел (PFC Inductor), свързан последователно с входа на импулсното захранване.

Елементарността 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. 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 РF (обикновено до около 0,75) и значителния обем и тегло на импулсното захранване. Освен това, изискванията на EN61000-3-2 невинаги могат да бъдат изпълнени чрез използване на пасивна корекция.

Активната корекция
на фактора
на мощност

осигурява много по-добро потискане на хармониците, а стойността на РF може да надхвърли 0,98. Тя позволява работа в широк обхват на мрежовото напрежение, но е възможно да се вгражда само в нови устройства. Към недостатъците се отнасят по-сложната и скъпа схема, по-голямата отделяна топлина и намаляването на надежността 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. 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) 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 осветителните системи.

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

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 новия метод на еднотактово управление (One Cycle Control) OOC. С него се реализират повишаващи PFC с фиксирана честота. Основното предимство на метода е по-малкият брой пасивни елементи към ИС.

Импулсни захранвания
с корекция на cos
j

Реализират се с пасивна и активна 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. При стойности на този параметър до 21 dB(A), на практика вентилаторът не се чува. Подобен проблем не съществува в импулсните захранвания без вентилатор, но тяхната максимална мощност засега е ограничена.

Корекция на cosj
в електродвигатели

Най-простата разновидност на PFC е подобряването на cosj. 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 да е с капацитет C[mF] = 6,58PrC[kvar] и да издържа максимален ток

ICm[A] = 0,973 (C[uF]PrC[kvar]).

Тези формули са в сила за електрическа мрежа 220V/50Hz. 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 cosj 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 метра 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 управляващ електронен блок (Soft Starter). В този случай се препоръчва свързване, при 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.

Поради нелекия избор на кондензаторната батерия при статичната корекция, се препоръчва корекцията на cosj да се прави в зависимост от конкретните 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 спрямо напрежението.

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 пасивните филтри (Passive Harmonic 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 20lg(Z/0,1W) на импеданса на филтъра за хармоника и избрано за сравнение съпротивление. 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 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.

Най-ефективно е действието на компенсаторите на хармоници (Harmonic Compensator, Active Harmonic Conditioner), които 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.

Кондензатори за подобряване на cosj

Като диелектрик при тях се използва хартия или полипропилен, а метализацията от едната или двете им страни представлява електродите. Някои от кондензаторите се импрегнират с машинно масло. Полипропиленът има предимството на голямата диелектрична якост и осигурява самовъзстановяване на кондензатора при пробив. Последният прогаря малък отвор в диелектрика, без да прави късо съединение между електродите на кондензатора, който продължава да работи. Кондензаторите за ниско напрежение нямат съществени структурни особености, докато високоволтовите са по-различни. Структурата на последните обикновено 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 CN, максималното напрежение UN, максималната реактивна мощност QN и загубите на активна мощност с измерение W/kvar. Често условията на работа на кондензаторите обусляват 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, който представлява необходимата дължина за напрежение върху кондензатора 1 kV и има измерение mm/kV. 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.

Уреди за автоматична промяна на капацитета

По принцип работният режим на контролираните товари може да се променя във времето, което налага постоянно измерване на фактора на мощност. 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 на 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 самостоятелни измервателни уреди (понякога наричани Power Factor Controller) със значително повече възможности. Трета група уреди съчетават измерване с управление на кондензаторната батерия.

 




Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top