Фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ)

Потребность в фильтрокомпенсирующих устройствах (ФКУ) обусловлена широким использованием полупроводниковых устройств и регуляторов в электроустановках. Такими устройствами, например, являются устройства плавного и безударного пуска двигателей, частотно-регулируемые привода, импульсные блоки питания. Все эти устройства позволяют повысить эффективность и удобство эксплуатации электрооборудования. Ряд технологических процессов не могут обходиться без силовых полупроводниковых преобразователей, например понизительно-выпрямительные агрегаты тяговых подстанций, плавильных печей и электролизных установок.

В основе полупроводниковых устройств лежат элементы, работающие в режиме ключа (включено-выключено) или близком к нему — диоды, тиристоры, биполярные и IGBT транзисторы. С точки зрения электротехники, все эти устройства обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками. Это означает, что ток, протекающий через эти устройства, будет иметь форму кривой, отличающуюся от формы кривой приложенного к ним напряжения. Этим полупроводниковые приборы отличаются от линейных элементов электрической сети — генераторов, электродвигателей, трансформаторов, катушек индуктивности и др.

Большинство элементов электрической сети являются линейными. Они рассчитаны на работу с электрическим током и напряжением синусоидальной формы частоты 50 Гц (в России).

Нелинейность полупроводниковых элементов — это их неотъемлемое свойство. Именно за счёт нелинейных свойств возникает возможность гибко управлять электрическими процессами в сети. Например получать из переменного тока постоянный или обеспечивать плавный разворот мощного двигателя от нулевой скорости вращения до номинальной без бросков тока. Возможности силовых полупроводниковых устройств почти безграничны и их применение в электроустановках потребителей постоянно растёт.

Обратной стороной использования нелинейных элементов является искажение формы кривой тока и напряжения в тех цепях, в которых они установлены. Это неизбежная плата за получаемые преимущества. Искажение формы кривой тока и напряжения описывается двумя явлениями:

  • Высшими гармоническими составляющими. При помощи ряда Фурье, сложные периодические функции могут быть описаны в виде суммы синусоидальных сигналов с кратной частотой. При разложении в ряд Фурье сигналов тока и напряжения искажённой формы, они представляются в виде суммы основной гармоники (в России — 50 Гц) и высших гармоник с кратными частотами (100 Гц, 150 Гц, 200 Гц, 250 Гц и так далее). При отсутствии нелинейных элементов в сети, высшие гармоники будут в ней практически отсутствовать.
  • Генерацией реактивной мощности. Реактивная мощность — это мощность в электрической сети, которая не совершает полезной работы и не трансформируется в другие виды энергии (тепловую, световую или механическую). Подробнее о реактивной мощности можно прочитать в нашей статье о БСК.

Все полупроводниковые ключи являются источниками реактивной мощности. Это также следствие их нелинейного характера. Доказательство этого факта не может быть приведено в краткой статье.

При большой доле полупроводниковых устройств в нагрузке величина высших гармоник и реактивной мощности в сети становится не только нежелательной, но даже опасной.

Высокая доля высших гармоник представляет опасность для большинства видов электротехнического оборудования. Поскольку они рассчитаны на синусоидальный характер токов и напряжений в сети. Это относится не только к линейным аппаратам (трансформаторам или двигателям), но и к самим полупроводниковым устройствам.

Избыток реактивной мощности может приводить к снижению или повышению напряжения в сети, в тяжёлом случае — к системным авариям, например лавине напряжения. Сам по себе любой избыток реактивной мощности нежелателен, поскольку уменьшает долю активной (полезной мощности) в сети.

ФКУ позволяют минимизировать вышеуказанные негативные факторы, связанные с использованием полупроводниковой силовой техники. С практической точки зрения применение ФКУ показано практически на всех видах современных энергоёмких производств — добывающих предприятиях, металлургических и нефтехимических заводах, предприятиях электрифицированного транспорта, предприятиях, располагающих мощным подъёмно-транспортным оборудованием и большими станками.

Электрически ФКУ представляет собой комбинацию электрического фильтра (RLC-цепи) и схемы компенсации реактивной мощности на основе батарей реакторов и конденсаторов.

Оборудование ФКУ (реакторы и конденсаторы) отличается от используемого, например, в статических компенсаторах реактивной мощности. Они должны быть рассчитаны на эксплуатацию в сети с высоким уровнем высших гармоник, должны иметь усиленную изоляцию. Параметры ФКУ должны определяться с учётом всех возможных режимов работы электрической сети, в том числе с учётом её перспективного развития. Просчёт в параметрах ФКУ может оказаться для потребителя дорогостоящим — эффект от внедрения может оказаться меньше желаемого, возможности ФКУ будут быстро исчерпаны с развитием сети. Наличие нескомпенсированных высших гармоник будет увеличивать частоту отказов электрооборудования, избыток реактивной мощности — препятствовать эффективной работе сети.

Компания КПМ является производителем оборудования, а не интегратором, предлагающим сборное решение из оборудования других производителей. КПМ много лет производит сухие реакторы и трансформаторы, в том числе для специального применения, и в том числе для фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ). Компания имеет в своём штате квалифицированных специалистов, которые способны вести проектирование, изготовление, монтаж и наладку ФКУ на всех стадиях. Являясь производителем оборудования, компания КПМ несёт ответственность как за работу системы в целом, так и её компонент, гарантирует выполнение заказов в разумно короткие сроки.