Балластная мощность.

Практически все эти типы статических преобразователей характеризуются значительной несинусоидальностью потребляемых токов, а многие из них характеризуются также пониженным значением cosφ, т.е. значительной величиной потребляемой реактивной мощности.

Реактивные токи, как известно, не передают в нагрузку полезную активную мощность. Увеличение полного значения сетевого тока за счёт реактивной составляющей вызывает увеличение потерь активной мощности в элементах системы электроснабжения и требует повышения их номинальной мощности.

Изменение напряжения сети вследствие создаваемого током нагрузки падения напряжения на эквивалентном сопротивлении сети с достаточной точностью определяется соотношением:

где r_c, x_с и I_акт , I_реак - соответственно активная и реактивная составляющие эквивалентного сопротивления сети и активная и реактивная составляющие тока нагрузки.

Как правило, вследствие значительного преобладания реактивной составляющей сопротивления сети над активной составляющей, реактивные токи создают в сети значительно большее (в 2 – 3 или даже в 5 – 7 раз) падение напряжения по сравнению с падением напряжения от таких же по величине активных токов. Поэтому колебания реактивной мощности оказывают более сильное влияние на величину колебаний напряжения питающей сети.

Несимметрию токов 3-фазной сети можно (и нужно!) рассматривать как наличие в сети помимо токов основной (прямой) последовательности с "правильным" чередованием фазных токов, обеспечивающих передачу в нагрузку активной и реактивной мощности, дополнительных токов других последовательностей - обратной и (или) нулевой - с "неправильным" чередованием фазных токов. Эти дополнительные токи осуществляют только обмен между фазами сети активной и реактивной мощностью. При симметричном напряжении сети они, не передавая в нагрузку ни активной, ни реактивной мощности, загружают кабельные и воздушные линии, трансформаторы и другое силовое оборудование.

Кроме того, несимметричные токи, создавая несимметричные падения напряжения на сопротивлениях элементов системы электроснабжения, вызывают появление несимметрии фазных и линейных напряжений сети, что в свою очередь, вызывает увеличение активных потерь у других потребителей.

Несинусоидальность токов означает наличие в их составе гармонических составляющих более высоких частот, которые обычно превышают частоту сети в целое число раз. Так же, как реактивные токи и токи обратной и нулевой последовательностей, токи высших гармоник при синусоидальном напряжении сети не передают в нагрузку полезной активной мощности, создают дополнительные активные потери и вызывают необходимость увеличения мощности силового оборудования. Помимо этого, высшие гармоники тока, создавая падения напряжения соответствующих повышенных частот на элементах системы электроснабжения, вызывают искажения формы (синусоидальности) сетевого напряжения. Несмотря на сравнительно небольшие значения токов высших гармоник, величина создаваемых ими падений напряжения оказывается значительной вследствие повышенных для этих частот значений и активных и реактивных составляющих сопротивления сети.

Гармонические составляющие с чётными значениями кратности частоты (так называемые "чётные" гармоники) возникают вследствие несимметричного нагружения током положительных и отрицательных полуволн напряжения сети.

При симметричном искажении формы фазных токов гармоники, кратность частоты которых по отношению к частоте сети кратна трём (так называемые "третьи" гармоники), могут существовать только в 4-проводных сетях, поскольку вследствие равенства их мгновенных значений во всех трёх фазах они могут замыкаться только по нулевому проводу. Поэтому наличие "третьих" гармоник в 3-проводных сетях может служить признаком несимметрии гармонического состава фазных напряжений.

Наиболее частыми в промышленных электрических сетях являются так называемые канонические гармоники кратностей

n=6∙k±1, где k = 1, 2, 3, . . .

Это все остальные, т. е. не "чётные" и не "третьи" кратные гармоники, их генерирует в сеть подавляющее большинство статических преобразователей 3-фазного переменного тока.

Подобно основным гармоникам напряжения и тока высшие гармоники в 3-фазной сети характеризуются направлением их чередования по отношению к чередованию фазных напряжений сети, т. е. различаются типом последовательности – прямой, обратной, нулевой.

В симметричных 3-фазных системах прямую последовательность образуют гармоники кратностей n=(3∙k + 1), обратной последовательностью характеризуются гармоники кратностей n = (3∙k – 1), а к нулевой последовательности относятся все "третьи" гармоники, т. е. гармоники кратностей n = 3∙k.

При несимметричных искажениях синусоидальности гармоники любой кратности могут содержать в себе составляющие всех трёх последовательностей.

Как известно, активная и реактивная мощность может передаваться в нагрузку только составляющими напряжения и тока одинаковых частот и одинаковых последовательностей. Поэтому при симметричном и неискаженном (синусоидальном) напряжении 3-фазной сети активную и реактивную мощность могут передавать в нагрузку только составляющие прямой последовательности основной гармоники тока.

Действующий в настоящее время государственный стандарт на качество электрической энергии ГОСТ Р 54149-2010 так же, как и действовавший до 2013 г. межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97, ограничивает допустимые показатели несимметрии и несинусоидальности напряжения сети на достаточно малом уровне, что позволяет в большинстве случаев считать напряжение сети симметричным и синусоидальным. Тогда значение полной мощности 3-фазной несимметричной и нелинейной нагрузки S, питаемой от 3-х или от 4-проводной сети можно представить в виде геометрической ("векторной") суммы четырёх ортогональных составляющих:

где P_Σ и Q_Σ - суммарные значения активной и реактивной мощности всех фаз, обеспечиваемые соответственно активной (I_[1]акт) и реактивной (I_[1]реак) составляющими тока прямой последовательности основной гармоники;

S_н/c и S_(ν) - мощность несимметрии, обусловленная составляющими обратной (I_[2]) и нулевой (I_[0]) последовательностей основной гармоники тока, и мощность искажения, обусловленная высшими гармоническими составляющими всех фазных токов (I_(ν)ф);

U_л - междуфазное (линейное) напряжение сети;

I - полное эквивалентное значение 3-фазного тока;

Нежелательные составляющие фазных токов - реактивные токи, несимметричные токи обратной и нулевой последовательностей и токи высших гармоник, не передающие в нагрузку полезной активной мощности, могут быть названы балластными токами, а обусловленные ими составляющие электрической мощности - балластными составляющими полной мощности.

Полные значения балластного тока и балластной мощности представляют собой следующие величины:

Соответственно этому полная мощность (S), полный эквивалентный 3-фазный ток (I) и коэффициент мощности (λ) 3-фазной нагрузки могут быть представлены в виде:

- коэффициент искажения;

- коэффициент несимметрии;

- коэффициент сдвига активной составляющей прямой последовательности основной гармоники тока.

При переменном характере нагрузок и, в частности, при их циклических изменениях на ограниченных отрезках времени, анализ эффективности энергетических режимов следует проводить по среднеквадратичным за циклы нагрузки значениям всех составляющих полной мощности. Это обусловлено тем, что именно среднеквадратичное значение тока определяет и номинальную мощность силового оборудования, и необходимое сечение проводов и кабелей, и величину активных потерь. С учётом среднеквадратичных и максимальных значений составляющих балластной мощности должны выбираться и средства их компенсации.

Контактная информация.