Специфика основной нагрузки непроизводственных зданий

Анонс: Сложность и специфика силовых сетей объектов непроизводственного назначения. Специфика основной нагрузки непроизводственных зданий – частотно-регулируемых приводов, ШИМ преобразователей питания офисного оборудования, энергосберегающих систем освещения.


Непроизводственные здания – объекты жилищного фонда, социально-культурного, коммунально-бытового назначения, офисные центры и т.д., для которых основные требования к составу и содержанию проектной документации формализованы в Постановлении Правительства РФ № 87 от 16.02.2008 (в ред. от 21.12.2021).

В целом Постановление регламентирует обоснование решений по компенсации реактивной мощности, релейной защите, автоматизации, диспетчеризации, «надежности электроснабжения и качеству электроэнергии», приборам учета и т.д. вплоть до «энергоэффективности». Однако даже изменения последних лет в Постановление № 87 не акцентировали внимание на одной из текущих и острых проблем силовых сетей непроизводственных зданий – эмиссии гармоник нелинейной нагрузкой с последующей трансмиссией искажений в распределительную сеть и сети других Абонентов (см. более детально здесь и в этом материале).

Предельно осложняет, как проектирование, так и модернизацию, развитие энергосистемы непроизводственного здания специфика силовой сети – нелинейные нагрузки небольшой мощности имеют разный спектр гармонических искажений по частотам, рассредоточены, практически не группируются, но это не мешает гармоникам лавинообразно нарастать до критических значений амплитуд в точках РОС или РСС (соответственно point of connection - присоединения или point of common coupling - общего присоединения) (см. накопление гармонических возмущений в низковольтных сетях при трансмиссии согласно IEC TR 62001-2:2016 в этом материале).

Специфика основной нагрузки непроизводственных зданий.

В целом для правильного моделирования энергосистемы непроизводственного здания необходимо классифицировать нелинейные нагрузки на основе их гармонического спектра и практика показывает, что к основным «генераторам гармоник» в большинстве объектов непроизводственного назначения можно отнести:

1. Частотно-регулируемые приводы на преобразователях частоты (Variable Frequency Drives - VFD). Использование VFD приводов (упрощенно) обусловлено тем, что электродвигатели, работающие в зданиях при номинальном напряжении и номинальной скорости, в случае снижения нагрузки потребляют больше электроэнергии.

Частотно-регулируемые приводы конвертируют напряжение питания переменного тока в напряжение постоянного тока, накапливают энергию в L-C блоке и подают (после второй конвертации в инверторе) на обмотки двигателя переменное напряжение в зависимости от нагрузки.


Рис. Общая схема Variable Frequency Drives.

В целом при моделировании используются формулы

n = 120*f/p и V/f = k1*Q = k2*T

(здесь n - частота вращения вала, р - количество полюсов двигателя, V - напряжение питания, f - частота, Q - магнитный поток, T - требуемый крутящий момент, k1 и k2 константы), из которых видно, что:

  • изменение скорости вращения требует пропорционального изменения частоты;
  • изменение частоты влияет на магнитный поток и поэтому для поддержания постоянного крутящего момента необходимо пропорционально изменить напряжение.

Это достигается применением методов регулирования Pulse amplitude modulation (амплитудно-импульсная модуляция) или Pulse width modulation (PWM, широтно-импульсная модуляция, ШИМ), причем ШИМ преобразователи (конвертеры, инвертеры)в последнее время нашли более широкое применение благодаря меньшему пакету недостатков.


Рис. Общий принцип работы PWM преобразователя.

Справка:

Частота модуляции зависит от типа коммутационного устройства – более десятка лет назад частота ограничивалась 1 кГц, с разработкой GTO и BJT тиристоров стала возможной модуляция с частотой 5 кГц, при коммутации тиристорами IGBT - 20 кГц, но при выборе частоты defacto находится компромисс между потерями в двигателе и инверторе, поскольку при низких частотах модуляции потери в инверторе малые, а в электродвигателе высокие (и наоборот). Как и любые электронные устройства на полупроводниковых вентилях ШИМ преобразователи генерируют широкий спектр гармоник, в целом зависящий от импульсности и конструкции устройства.



Рис. Типовой спектр гармоник ШИМ преобразователя.

2. Источники Бесперебойного Питания (ИБП), где (упрощенно) переменный ток преобразуется в постоянный, аккумулируется в батареях и по мере необходимости через инвертор подается на нагрузку, т.е. по факту те же ШИМ преобразователи с их достоинствами и недостатками в отношении гармонических искажений.


Рис. Типовая схема источника бесперебойного питания.

Более прогрессивная версия ИБП – импульсные SMPS (switch mode power supply units), которые отличаются «нулевой»эмиссией гармоник, кратных трем, и пиками амплитуд (по убыванию) на 5-й, 7-й и 11-й гармониках. SMPS стали неотъемлемой частью офисного оборудования, к которому IEC 61000-3-2 устанавливает жесткие требования по ограничению эмиссии гармоник (отечественные стандарты по нормированию перетоков реактивной мощности и эмиссии/трансмиссии гармоник см. здесь).

3. Системы энергосберегающего освещения, как правило, светодиодного, управляемого диммером.

Упрощенно каждый светодиод имеет номинальный ток, необходимый для получения максимального света, а в ШИМ-драйвере ток переключается с высокой частотой между 0 и номинальным значением, т.е. светодиодная нагрузка либо выключена, либо работает с номинальным током, а соотношение времени включения и времени выключения определяет яркость светодиода.


Рис. Работа светодиодного освещения.

Импульсная нагрузка определяет широкий спектр эмиссии гармонических искажений с большими амплитудами (по убыванию) на 3-й, 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармониках, что при большом масштабе систем освещения выводит уровень гармонических возмущений в категорию критических в отношении качества электроэнергии.


 124   13.01.2022
Если голосом проще!
Менеджеры готовы принять заявку. Телефоны:
+7(495) 783-56-30
(многоканальный)
+7(985) 126-22-21
(WhatsApp)
Если проще написать!
В заявке укажите какая продукция Вас интересует.
Оставить заявку

Ждем Вас в гости!
Согласуйте время и приезжайте в наши офисы для получения технических консультаций
перейти к контактам