Опыт наладки регулируемой установки для компенсации реактивной мощности

Для чего нужна установка компенсации реактивной мощности?

Как известно из курса электротехники, электрическая энергия бывает двух видов: активная и реактивная. Активная - это та энергия, которая потребляется (преобразуется) из одного вида в другой и выполняет какую-либо полезную работу. Например, крутит вал электродвигателя, нагревает нагревательный элемент, преобразуется в световой поток и освещает что-нибудь. Реактивная энергия - это энергия, которая циркулирует от источника к потребителю и назад. Она не потребляется, а возвращается назад в источник, чем оказывает паразитное воздействие на электрическую сеть.

Казалось бы, что плохого в реактивной энергии? Ну, носится она туда-сюда, что с неё взять? Однако, нужно понимать, что чем её больше, тем меньше активной энергии передается от источника к потребителю, потому что провод в зависимости от сечения имеет ограничения на передачу тока. Следовательно, выполняется меньше полезной работы, то есть коэффициент полезного действия питающей линии уменьшается. Пропускать по питающей линии больше энергии - нужно увеличивать сечение провода, а это дорого. Поэтому самый лучший вариант - избавиться от реактивной энергии совсем.

Есть несколько способов это сделать. Один из них - установка устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ). Это самый простой и дешевый способ поднятия КПД питающей линии. Суть его заключается в том, что у потребителя устанавливаются батареи конденсаторов, которые являются накопителями электроэнергии. Как известно, потребители электроэнергии имеют активно-индуктивный характер, т. е. состоят из активных потребителей (например, нагреватели) и активно-индуктивных (обмотки трансформаторов, катушки реле, электродвигатели - провода в них тоже нагреваются). Так же известно, что при таком характере нагрузке ток отстает он напряжения на угол от 0 до 90 градусов. Проще говоря, когда напряжение на нагрузке уже достигло максимума (амплитудного значения), ток еще не успел этого сделать и достигнет максимума чуть позже, когда величина напряжения будет уменьшаться. Идеальным вариантом является ситуация, когда ток без опоздания от напряжения появляется на нагрузке и точь-в-точь повторяет форму напряжения. Это характерно для чисто активной нагрузки.

Если к индуктивности ток бежит неохотно, то к ёмкости он бежит вперед напряжения. Ток обожает ёмкость. Поэтом, чтобы "приманить" ток к нагрузке, и устанавливают конденсаторные батареи. К ним ток бежит охотнее, работает - не ленится, поэтому КПД линии повышается.

Это свойство и используют для того, чтобы скомпенсировать реактивную энергию. Сама конденсаторная установка - простейшее устройство, состоящее из конденсаторов, которые подключаются параллельно друг другу. Подключаются они могут все сразу - тогда конденсаторная установка является не регулируемой - или в определенной последовательности, в зависимости от набора емкостей. Каждый набор называют ступенью. Ступени предназначены для дробления общей емкости УКРМ и чем их больше, тем точнее УКРМ позволяет регулировать коэффициент мощности.

Если УКРМ регулируемая, то в её составе есть специальный контроллер, которому для поддержания нужного коэффициента мощности требуется информация о напряжении и токе нагрузки. Зная напряжение и ток, контроллер вычисляет рассогласование между ними (отставание или опережение тока от напряжения), а это и есть коэффициент мощности или COS φ. По величине рассогласование контроллер определяет сколько ступеней подключить или отключить, чтобы добиться заданной величины COS φ. Вот так вот всё просто и не затейливо.

Правильная настройка регулятора

Чтобы регулятор правильно работал, он должен получать достоверные данные тока и напряжения. Поэтому его нужно правильно подключить. Нет ничего лучше для понимания теории, как применение её на практике. На практике оказался регулятор NOVAR 1214 - один из самых распространенных, поэтому на его примере и практике рассмотрим основные параметры настройки регулирования COS φ.

Требуемый COS φ: Это задание для поддержания нужного значения COS φ в сети.

Время регулирования при недокомпенсации: Когда COS φ меньше, чем требуемый ровно на такую величину, что его может скомпенсировать самая маленькая ступень конденсаторов, то выжидается это время, прежде чем ступень будет включена. Если рассогласование больше, чем смогла бы скомпенсировать самая маленькая ступень конденсаторов, то время сокращается по одному из двух законов - квадратично или линейно (параметр с буквой L). Это можно задать при настройке.

Если же рассогласование меньше, чем могла бы скомпенсировать самая маленькая ступень, то время увеличивается в два раза. Регулирование прекращается, когда рассогласование меньше, чем могла бы скомпенсировать 1/2 емкости самой маленькой ступени конденсаторов.

Время регулирования при перекомпенсации: Когда COS φ больше, чем требуемый, это считается "перекомпенсацией" и алгоритм работы такой же, как и при "недокомпенсации", только здесь ступени не подключаются, а отключаются по истечении указанного времени.

Ширина полосы регулирования при большой нагрузке: Если в системе электроснабжения периодически возникают большие переменные нагрузки, вызывающие некоторое отклонение COS φ на какое-то время, чтобы зря не включать/отключать дополнительные ступени, предусмотрен данный параметр. Он несколько расширяет полосу регулирования в зоне большой нагрузки на заданный диапазон:

Как видно из рисунка, в зонах "А" и "B" ширина зоны нечувствительности определяется емкостью наименьшей ступени. Зона "С" начинается там, где полоса нечувствительности начинает расходиться. Таким образом, чем больше нагрузка, тем больше отклонение от уставки и тем больше зона нечувствительности.

Номинальный первичный ток: Первичный ток измерительного трансформатора тока. Этот параметр нужен для правильной индикации мощностей, на что-то существенное он не влияет.

Номинальный вторичный ток: Выбирается из диапазона 5А или 1А. Этот параметр должен быть указан правильно, иначе расчет COS φ будет неверным.

Время блокировки повторного включения: Время достаточное для разряда конденсаторов в одной ступени перед тем как она снова будет включена. Пока это время не истекло, данная ступень не включится даже в ручном режиме, поэтому при необходимости будут включаться другие ступени, у которых время повторного включения уже вышло.

Тип измерительного напряжения: Для правильного расчета регулятора нужно знать, какое измерительное напряжение подведено - линейное (LL) или фазное (LN).

Способ присоединения тока и напряжения: Параметр сообщает регулятору, как подключены измерительные цепи тока и напряжения относительно друг друга. Для регулятора жестко принято, что трансформатор тока находится в фазе "А" и Л1 направлено к источнику, а Л2 - к потребителям. Выбирается только способ подключения напряжений. Для линейного подключения: L1-N; L2-N; L3-N; N-L1; N-L2; N-L3. Для линейного подключения: L1-L2; L2-L3; L3-L1; L2-L1; L3-L2; L1-L3. Вот здесь придется поколдовать, если подключение отличается от стандартного.

Коэффициент измерительного трансформатора напряжения:

Номинальное напряжение компенсирующей системы:

Программа коммутаций: Это комбинация ступеней, где для каждой ступени указано число, кратное мощности наименьшего конденсатора. Например, 1123 означает, что к первой и второй ступени присоединены конденсаторы с наименьшей емкостью; ко второй ступени - емкость батареи в два раза больше; третья ступень имеет емкость конденсаторов в три раза больше. Условия такие: к первой ступень должна быть подключена наименьшая емкость; емкости для ступеней больше, чем пятая считаются равным как у пятой.

Номинальная мощность наименьшего конденсатора: Задается в КВар дискретно

Количество конденсаторов:

Номинальная мощность отдельных ступеней: Указывается, какие конденсаторы в каких ступенях установлены

Регулируемые/постоянные ступени: Указывается, какие ступени будут регулироваться (C или L), какие будут включены постоянно (1), какие будут отключены вовсе (0). Замечу, что регулируемые ступени могут быть как емкостные (С), так и дроссельные (L). Поэтому нужно указать соответствующую букву при выборе регулируемой ступени.

Эти параметры основные и как правило их достаточно для того, чтобы настроить работу регулятора мощности.

Проверка работы регулятора

Теперь нужно проверить правильность настроек и алгоритма работы. Для этого нужен источник тока и напряжения с регулируемым углом между ними. Для таких целей вполне подойдет Ретом-21 или что-то аналогичное. Начнем с подключений:

Задаем 100 В в измерительный канал напряжения и около 2 А в измерительный канал тока. Угол между напряжением и током должен быть +90°, так как для нашей схемы подключения ток опережает напряжение на 90°. Это состояние будет соответствовать COS φ = 1.

Проверка правильности подключения

Вращая фазорегулятор и наблюдая за показаниями на дисплее регулятора NOVAR 1214 убедиться:

• Максимальное значение активная мощность принимает при углах +90° и -90° (270°), а реактивная мощность стремиться к нулю;
• В этих же точках COS φ = 1;
• При +90° активная мощность имеет положительный знак, а при -90°(270°) - отрицательный, и загорается светодиод "Экспорт";
• В точках 0° и 180° активная мощность - минимальна, реактивная мощность - максимальна;
  
• COS φ = 0;
• При 0° реактивная мощность - положительна (или с индексом "L"), а при 180° - отрицательна (или с индексом "С"). Такое обозначение знака, не характерное для электротехники, принято в регуляторе.
  

Если всё так, то проверяем работу алгоритма.

Проверка работы регулятора с действием на ступени

Проделаем следующие шаги:

1. Устанавливаем значение напряжения 100 В, тока - 2 А;
2. Выставляем по дисплею регулятора требуемый COS φ = 0.9;
3. Медленно вращая фазорегулятор в сторону уменьшения косинуса (угол стремится к 0°) находим момент, когда начинает моргать светодиод "ИНДУКТИВНОСТЬ". Фиксируем значение этого угла. Моргание светодиода говорит о том, что мы вышли из зоны, когда половина наименьшей ступени конденсатора могла бы скомпенсировать COS φ;
4. Вращаем регулятор далее к уменьшению косинуса (угол стремится к 0°), находим момент, когда светодиод "ИНДУКТИВНОСТЬ" начинает светиться ровным светом. Засекаем угол и время. Через время, равное времени регулирования при недокомпенсации, должна сработать одна из ступеней, как правило - первая.
5. Дожидаемся, когда включатся последовательно все ступени, каждая по истечении времени регулирования при недокомпенсации;
6. Вращая фазорегулятор в сторону увеличения COS φ (угол стремится к 90°), достигаем момента, когда начинаем моргать светодиод "ЕМКОСТЬ". Светодиод "ИНДУКТИВНОСТЬ" погаснет во время увеличения угла. Фиксируем угол и засекаем время. Ступени должны начать отключаться последовательно по истечении удвоенного времени регулирования при перекомпенсации.
7. Увеличивает ток до 4 А;
8. Выставляем по дисплею регулятора требуемый COS φ = 0.9;
9. Медленно вращая фазорегулятор в сторону уменьшения косинуса (угол стремится к 0°) находим момент, когда начинает моргать светодиод "ИНДУКТИВНОСТЬ". Значение этого угла должно быть меньше, чем в пункте 3.
10. Вращаем регулятор далее к уменьшению косинуса (угол стремится к 0°), находим момент, когда светодиод "ИНДУКТИВНОСТЬ" начинает светиться ровным светом. Угол и время срабатывания должны быть меньше, чем в пункте 4.
    
11. Дожидаемся, когда включатся последовательно все ступени;
12. Вращая фазорегулятор в сторону увеличения COS φ (угол стремится к 90°), достигаем момента, когда начинаем моргать светодиод "ЕМКОСТЬ". Угол должен быть меньше, а время - такое же как и в п. 6.

Ниже приведена диаграмма срабатывания регулятора в зависимости от угла между током и напряжением.

Предложенная далее проверка не является догмой. Вы можете сами определить достаточность мер для проверки, уменьшить их или увеличить. В любом случае, если Вы поделитесь своими мыслями и аргументами - это только улучшит нашу методику.