SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Современные тенденции развития автоматизированных систем компенсации реактивной мощности

Потери электроэнергии и износ силовых трансформаторов, связанные с бросками тока в сети, представляют собой серьезную проблему на производстве. Однако сегодня она достаточно успешно решается с помощью автоматических конденсаторных установок компенсации реактивной мощности (УКРМ). К лучшим современным устройствам подобного рода относятся регуляторы реактивной мощности компании BMR, которая разработала новый алгоритм регулирования.

Энерготехническая компания «Джоуль», г. Москва

joule_logo.gif

Проблема автоматизации технологических процессов на производстве уже достаточно давно занимает умы специалистов различных областей. Исторически предопределено и считается нормальным поэтапное развитие технологических процессов и вспомогательной инфраструктуры производственных предприятий от управляемых вручную до полностью автоматизированных. Энергообеспечение предприятия – не исключение. Более того, потенциал инновационных мероприятий в данной сфере сложно переоценить.

Автоматизация процессов управления энергоснабжением предприятия является одной из наиболее важных задач процесса модернизации производства, вносит существенный вклад в рост эффективности работы предприятия и снижает конечную себестоимость продукции. Контроль параметров системы энергоснабжения и оперативные средства управления показателями качества электроэнергии и характеристиками сети способны увеличить срок службы оборудования, свести к минимуму процент брака и количество аварийных остановок производства, обеспечить рациональное потребление и распределение энергоресурсов.

В большинстве своем электрические нагрузки промышленных потребителей имеют индуктивный характер (электродвигатели, люминесцентные светильники, блоки питания электронных устройств и т. п.). Наличие индуктивной нагрузки приводит к тому, что ток в проводах, кабелях и прочих элементах электросети может в 1,5–2 раза превышать номинальное значение. Соответственно потери на нагрев этих элементов увеличиваются в 2–4 раза. Кроме прямых потерь электроэнергии увеличение токовой нагрузки электросети может привести к необходимости замены силовых трансформаторов и кабелей на более мощные, что влечет за собой немалые затраты. Традиционным способом борьбы с этим явлением служит подключение дополнительной емкости параллельно потребителю, в результате чего характер нагрузки приближается к активному. Поскольку каждый элемент электросети невозможно оснастить отдельным конденсатором, конденсаторная батарея подключается к фидеру, питающему несколько потребителей. А так как потребители включаются независимо друг от друга и часто непредсказуемо, встает задача автоматического подключения необходимого набора конденсаторов для компенсации имеющейся в данный момент реактивной нагрузки в сети.

Автоматические конденсаторные установки компенсации реактивной мощности (УКРМ) давно и успешно справляются с этой задачей. В состав УКРМ входит несколько конденсаторов, подобранных по мощности таким образом, чтобы из них можно было составить множество комбинаций, обеспечивающих достаточно плавное изменение суммарной мощности установки.

Сердцем УКРМ является специализированный микропроцессорный контроллер (регулятор реактивной мощности), который постоянно измеряет индуктивную составляющую тока в сети и подключает необходимые конденсаторы в нужный момент.

Современные регуляторы не только подбирают оптимальный набор конденсаторов для компенсации реактивной мощности, но и выполняют ряд дополнительных, но весьма важных функций, в частности:
- защищают элементы УКРМ. Регулятор измеряет параметры, влияющие на работу конденсаторов (температура, перенапряжение, наличие гармоник тока), и в случае превышения установленных пределов отключает конденсатор, подверженный риску выхода из строя или преждевременного износа;
- оптимизируют ресурс конденсаторов. Регулятор отслеживает моменты коммутации каждого конденсатора и подключает прежде всего те, которые: а) дольше всех были отключены, б) имеют наименьшую наработку;
- измеряют и передают параметры работы УКРМ и электросети. Регуляторы могут быть оснащены интерфейсами для передачи измеренных характеристик электроэнергии, что позволяет интегрировать их в информационные системы.

Алгоритмы работы регуляторов реактивной мощности постоянно совершенствуются, что положительно сказывается на эффективности работы УКРМ. До недавнего времени наиболее распространенным был алгоритм мгновенного регулирования, когда регулятор измерял текущее значение реактивной мощности и подключал столько конденсаторов, чтобы cos φ был не меньше заданного. Такой способ регулирования имеет существенные недостатки – низкую точность поддержания заданного среднего cos φ и вероятность перекомпенсации. Компания BMR, специализирующаяся на производстве компонентов УКРМ, разработала новый алгоритм регулирования APFR (Average Power Factor Regulation), свободный от этих недостатков. Регулятор BMR (рис. 1) отслеживает вместо мгновенного среднее значение cos φ за интервал времени. Помимо подключения определенного количества конденсаторных ступеней, регулятор еще управляет длительностью их подключения таким образом, чтобы средний cos φ в точности равнялся заданному, что фиксирует электросчетчик.

Ris.1.jpg

Рис. 1. Регулятор реактивной мощности FCR 12 производства компании BMR

Регуляторы BMR могут работать и по традиционному алгоритму измерения мгновенного cos φ, для чего достаточно изменить параметр настройки.
Кроме алгоритма APFR, регуляторы BMR отличаются:
- возможностью подключения конденсаторных ступеней произвольных мощностей;
- автоматическим измерением мощности ступеней и настройкой;
- возможностью работы с обычными и тиристорными контакторами и другими особенностями, позволяющими причислить их к числу наиболее совершенных регуляторов реактивной мощности нашего времени.

Для коммутации конденсаторных ступеней в УКРМ применяются контакторы, имеющие специальное устройство защиты от бросков тока при подключении конденсаторов к сети под напряжением. Устройство представляет собой нагрузочные резисторы, через которые конденсатор подключается к сети за несколько миллисекунд то того, как замыкается основная группа контактов. Этого времени достаточно для выравнивания потенциалов конденсатора и сети. Крупные производители контакторов, такие как Lovato Electric, выпускают конденсаторные контакторы.

Автоматические установки компенсации реактивной мощности, работающие на электромагнитных контакторах, имеют существенные ограничения по быстродействию. Минимальное время переключения конденсаторной ступени в них составляет обычно от 5 до 20 секунд, необходимых для разряда конденсатора. В противном случае разность потенциалов между сетью и конденсатором может достичь двукратной амплитуды сетевого напряжения, что приведет к сильному броску тока даже при использовании специальных конденсаторных контакторов. Вследствие этого могут выйти из строя конденсатор, контактор или другие компоненты УКРМ. Кроме того, такие броски тока генерируют импульсные помехи напряжения в сети, что отрицательно влияет на качество электроэнергии и вызывает сбои в работе присоединенных потребителей.

Еще более жесткое ограничение на быстродействие УКРМ накладывает износостойкость электромагнитных контакторов, коммутирующих конденсаторы. Если контакторы заставить срабатывать каждые 5 секунд, то их придется менять несколько раз в месяц, что приведет к неприемлемым эксплуатационным затратам. Поэтому фактически минимальное время переключения ступеней УКРМ обычно ограничивают с помощью автоматического регулятора, и оно составляет несколько минут.

От этих недостатков свободны установки, в которых коммутация осуществляется электронными ключами, – так называемые тиристорные, или статические УКРМ. Отсутствие подвижных частей и механических контактов избавляет их от проблемы износостойкости, а высокая скорость срабатывания позволяет реализовать схемы, где подключение конденсатора к сети происходит точно в момент равенства сетевого напряжения остаточному напряжению на конденсаторе. Компания BMR выпускает тиристорные контакторы (рис. 2), состоящие из силового полупроводникового ключа и электронного блока коммутации, позволяющие коммутировать конденсаторные ступени мощностью до 100 квар. Даже при таких единичных мощностях отсутствуют броски тока при переключении конденсаторных ступеней – в результате установка не вносит в сеть помехи. В статических УКРМ скорость переключения ступеней достигает десятков раз в секунду, что достаточно для точной компенсации самых быстропеременных реактивных нагрузок, таких как у крановых двигателей или сварочных аппаратов.

Ris.2.png


Рис. 2. Тиристорный контактор BMR

Единственным недостатком статических УКРМ является их высокая стоимость, обусловленная ценой тиристорного контактора, который на порядок дороже обыкновенного. К счастью, разработан компромиссный вариант, сочетающий высокую скорость регулирования с умеренной ценой, – гибридные УКРМ. Установки этого типа состоят из конденсаторных ступеней двух типов: медленных, управляемых обычными контакторами, и быстрых, тиристорных. Первые компенсируют плавно изменяющуюся реактивную нагрузку, вторые – быстрые скачки реактивной мощности.

Гибридная установка, по сути, представляет собой комбинацию из двух установок: обычной УКРМ на электромагнитных контакторах и тиристорной. Ее действительно можно было бы заменить двумя такими установками, но тогда пришлось бы использовать два шкафа, два кабельных ввода, два измерительных трансформатора и два различных регулятора. В гибридной УКРМ, как и в обычной установке, все эти компоненты имеются в единственном числе. Кроме того, в гибридной установке мощности ступеней оптимизируются по фактическому графику изменения реактивной мощности. По быстродействию гибридная УКРМ не отличается от тиристорной и допускает скорость коммутации конденсаторов до 17 раз в секунду.

Для сборки гибридных УКРМ необходим специальный регулятор, оснащенный выходами, совместимыми с обычными и полупроводниковыми контакторами. Такой регулятор был разработан и производится компанией BMR. Энерготехническая компания «Джоуль» производит гибридные УКРМ до 1000 квар, в которых распределение мощности между обычной и тиристорной частями выбирается предварительно по данным обследования потребителя электроэнергии. Это позволяет выбрать оптимальную конфигурацию УКРМ с точки зрения ее стоимости и эффективности работы.

Гибридные УКРМ ЭТК «Джоуль» сокращают ценовой разрыв между обычными и тиристорными установками и расширяют область применения высокоскоростной компенсации реактивной мощности.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(46)_2013

В. И. Бабич, к. т. н., генеральный директор,
А. В. Бабич, ведущий инженер,
Энерготехническая компания «Джоуль», г. Москва,
тел.: (495) 363-1867,
e‑mail: mail@joule.ru,
www.joule.ru