Влияние изменения частоты на работу электрических систем
Для электроэнергии основные показатели качества: напряжение и частота, для тепловой энергии: давление, температура пара и горячей воды. Частота связана с активной мощностью (Р), а напряжение с реактивной мощностью (Q).
Все вращающиеся машины и агрегаты рассчитаны таким образом, что экономический коэффициент полезного действия достигается при номинальном числе оборотов в минуту: n = 60f/p ,
где: n — число оборотов в минуту, f — частота тока в сети, p — число пар полюсов.
Частота переменного тока , вырабатываемая генераторами, есть функция числа оборотов турбины. Число оборотов механизмов — функция частоты.
На рис. 1 представлены относительные статические характеристики нагрузки для энергосистемы по частоте.
Анализ зависимостей на рис.1 показывает, что при уменьшении частоты снижается число оборотов двигателя, снижается производительность машин и механизмов.
1. Текстильная фабрика дает брак при изменении частоты от номинальной, т к. изменяется скорость движения нити и станки дают брак.
2. Насосы (питательные), вентиляция (дымососы) тепловых электростанций зависят от числа оборотов: давление пропорционально « n 2 », потребляемая мощность « n 3 », где n — число оборотов в минуту;
3. Активная мощность нагрузки синхронных двигателей пропорциональна частоте (при снижении частоты на 1%, активная мощность нагрузки синхронного двигателя уменьшается на 1%);
4. Активная мощность нагрузки асинхронных двигателей уменьшается на 3% при снижении частоты на 1%;
5. Для энергосистемы снижение частоты на 1% приводит к уменьшению суммарной мощности нагрузки на 1-2%.
Изменение частоты влияет на работу самих электростанций. Каждая турбина рассчитана на определенное число оборотов, то есть при падении частоты снижается вращающий момент турбины. Падение частоты влияет на собственные нужды электростанции и в результате может наступить нарушение работы агрегатов станции.
При понижении частоты из-за нехватки активной мощности снижается нагрузка потребителей, чтобы поддержать частоту на прежнем уровне . Степень изменения нагрузки при изменении частоты на единицу называется регулирующим эффектом нагрузки по частоте . Процесс нарушения устойчивой работы электростанции из-за падения частоты и при отсутствии резерва активной мощности называется лавиной частоты.
Если f =50 Гц, критическая частота при которой производительность основных механизмов собственных нужд электростанций снижается до нуля и наступает лавина частоты — 45 — 46 Гц.
При падении частоты снижается э.д.с. генератора (т.к. понижается скорость возбудителя) и снижается напряжение в сети.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Как определить частоту переменного тока
В силу различных преимуществ большинство энергетических систем — от общегосударственных до бытовых, функционируют на переменном токе. Однако мало кто считается с тем, что кроме параметров напряжения и тока системы, важную роль играет также частота тока. Например, в функционале популярных мультитестеров измерение частоты переменного тока отсутствует. Между тем значения этой величины, которые выходят за требуемые пределы, грозят тяжёлыми последствиями. Мгновенно происходит разбалансированность системы энергоснабжения с неминуемыми катастрофическими последствиями для целых регионов.
Что такое частота
Производство электроэнергии в подавляющем большинстве ситуаций называют контролируемым. Эту работу проделывают генераторы, преобразующие механическую энергию ротора турбины в электрическую. Как показано на схеме, на поверхности ротора имеется обмотка из медной проволоки, поэтому он представляет собой непрерывно вращающийся электромагнит.
Во время вращения ротора, созданное вокруг него магнитное поле, наводит электрический ток. Его направление периодически изменяется на противоположное, поскольку месторасположение полюсов электромагнита чередуется после каждого оборота ротора. Соответственно, ток тоже меняет своё направление два раза за цикл вращения.
Следствием и мерой скорости этих изменений является частота, которая измеряется количеством изменений месторасположения полюсов в секунду. Единица частоты получила наименование герц и обозначается двумя буквами — Гц. Таким образом, можно сказать, что генератор, который снабжён парой магнитных полюсов, вращающихся с угловой скоростью 3000 мин -1 , будет производить ток частотой 50 Гц.
Мощность переменного тока изменяется по синусоидальному закону с чередованием положительных и отрицательных полюсов. При переходе каждого цикла из положительной области в отрицательную происходит соответствующее перемещение электронов. В конечном счете, эти циклы создают электрический нагрев или рассеивание мощности. Независимо от направления движения тока (т. е., положительного или отрицательного), если силы тока (напряжения) достаточно для удовлетворения требований электрического устройства, оно будет работать.
Таким образом, количество полных циклов за секунду, когда переменный ток переходит от положительного полюса к отрицательному, называется частотой, а сам временной отрезок называется периодом. С точки зрения электрического тока частотой принято считать количество повторений синусоиды, а другими словами — это полное колебание, состоящее из положительной и отрицательной составляющих. Следовательно, частота и период связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью:
Частота и период переменного тока варьируются в зависимости от страны, причём не обязательно привязываются к местному стандарту напряжения. Например, в США, Канаде и других странах со стандартным линейным напряжением 110…120 В эталоном частоты является 60 Гц. В большинстве стран, где значения переменного напряжения равняются 220…240 В (в том числе и в нашей стране), за стандартную частоту принято 50 Гц, однако Южная Корея, Филиппины и многие страны Карибского бассейна используют 220…240 В с частотой 60 Гц. А есть ещё и Япония, где напряжение в сети достигает 100 В, но стандартная частота переменного тока в разных районах составляет 50 и 60 Гц.
Большинство электронных устройств могут работать, потребляя переменный ток, если его частота 50 или 60 Гц. Но, для электроприборов, использующих довольно мощные приводы, рассчитанные на конкретную частоту (холодильники, морозильники, стиральные и сушильные машины), разница в 10 Гц уже значительна. В первую очередь это касается устройств, включающихся периодически. Их электромоторам приходится вращаться то быстрее, то медленнее, что отрицательно сказывается на их долговечности. В таких случаях необходимо использовать преобразователи частоты или трансформаторы напряжения.
Как определяется
Существует два способа установить, чему равна частота и амплитуда переменного тока — применять специальные приборы либо воспользоваться результатами расчётов.
Измерение частоты
Для измерения частоты переменного тока используется принцип механического резонанса. Он является достаточно простым, хотя и не очень точным. Основывается на том факте, что для каждого физического объекта, обладающего упругими свойствами, существует определенное значение частоты, при которой он начинает вибрировать.
Примером подобного устройства является камертон. Если по нему ударить, он будет довольно продолжительное время вибрировать со звуком, зависящим от его длины. Чем длиннее камертон, тем ниже будет резонансная частота и наоборот.
Если представить себе ряд камертонов с постепенно увеличивающимися размерами, установленными на общем основании, то это основание станет вибрировать с частотой измеряемого напряжения или тока. Для этого устройство следует снабдить электромагнитом.
Измерения частоты тока выполняются с помощью набора «камертонов», в качестве которых используются полоски листового металла. Это устройство называется частотомером вибрирующего геркона.
Используя частотомер, можно наглядно увидеть, как концы всех полосок встряхиваются в зависимости от того, как меняется величина переменного напряжения, приложенного к катушке. Тот из лепестков, который будет ближе всего к резонансной частоте переменного тока, станет вибрировать наиболее интенсивно.
Особой точностью вибрационные частотомеры не отличаются, зато характеризуются простотой своего изготовления. Их применяют в небольших электроремонтных мастерских, а также в быту с целью калибровки частоты вращения двигателя.
Хотя подобный прибор будет иметь малую точность, этого нельзя сказать о самом принципе измерения. Заменив механический резонатор на электрический, можно получить частотомер на основе катушки индуктивности и параллельно включённого конденсатора. Вместе они образуют колебательный контур.
Один или оба компонента этого контура могут быть регулируемыми. В цепь включается измерительный блок, который показывает максимальную амплитуду напряжения на конденсаторе и катушке. Ручки регулировки предварительно откалибровываются, чтобы иметь возможность выставлять резонансную частоту для любого варианта настройки. Частота считывается после настройки устройства на максимальное показание шкалы измерителя.
Фактически частотомер реализует схему настраиваемого фильтра, после чего отсчёт показаний происходит как в мостовой схеме (она вначале балансируется для условного нулевого состояния, после чего выполняется отсчёт). До тех пор, пока катушка и/или конденсатор смогут перехватывать достаточное поле магнитного или электрического рассеивания от тестируемой цепи, устройство будет сохранять свою работоспособность.
Метод не требует прямого подключения к цепи, поэтому часто применяется в бытовых условиях. Наиболее точные результаты дают электронные частотомеры.
Расчёт частоты тока
Для расчёта требуется знать период или временной отрезок, в течение которого значение переменного тока повторяется и образует одну полную волну. Между периодом и частотой переменного тока имеется зависимость, которую отражает следующая формула:
Если известно значение циклической частоты ɷ и амплитуда А, то по схожей зависимости можно вычислить силу тока I:
Определение угловой частоты выполняется с помощью такого уравнения:
Заключение
Учитывая тенденцию к постепенному уменьшению производства электроэнергии с использованием традиционных видов топлива, всё чаще возникают вопросы оптимального управления частотными параметрами систем энергетики. Идеальным выходом их положения считают такой, при котором данные функции будут реализованы вследствие применения более стабильных и доступных форм генерации. К ним стоит отнести атомную энергетику, использование энергии солнца и ветра.
Зависимость тока и частоты: требования, формула, влияние
Частота электрического тока выступает одним из параметров качества электроэнергии и основной характеристикой режима энергосистемы. Количественно частота в энергосети равна количеству периодов в секунду. Изменение частоты в сети влияет на функционирование и, соответственно, производительность работы потребителей. Также свое влияние оказывает отклонение частоты на работу всей энергосистемы.
Нормируемые требования к показателям
В РФ требования к качеству работы энергосистемы стандартизированы.
В соответствии с ГОСТ 13109-97 частота в энергосистеме должна непрерывно поддерживаться на уровне f = 50 ± 0,2 Гц, при этом допускается кратковременное отклонение частоты до значения ∆f = 0,4 Гц.
Анализируя зависимость силы тока от частоты, можно сделать вывод, что если подключаемая нагрузка имеет чисто активный характер (к примеру, резистор), то в широком диапазоне сила тока от частоты иметь зависимость не будет. В случае достаточно высоких частот, когда индуктивность и ёмкость подключаемой нагрузки будут характеризоваться сопротивлением, сравнимым с активным, то сила тока будет иметь определенную зависимость от частоты.
Другими словами, при варьировании частоты тока происходит изменение ёмкостного сопротивления, изменение которого, в свою очередь, приводит к изменению тока, протекающего по цепи.
То есть при повышении частоты, снижается ёмкостное сопротивление, и повышается ток, протекающий по цепи.
Математическое выражение зависимости будет иметь следующий вид: I = UCω;
Зависимость при учете активного сопротивления будет определяться следующим выражением: I (ω) = UCω √(R2 • C2 • ω2 + 1).
Влияние частоты тока на электроприборы
Далее рассмотрим влияние частоты электрического тока. Увеличение частоты до сравнительно невысоких величин (1 – 10 тыс. Гц), обычно является следствием исключительно повышения номинальной мощности электроаппаратуры, поскольку таким образом возрастает проводимость газовых промежутков. Для измерения частоты в системе используют частотомеры.
Паровая турбина разрабатываются и создаются таким образом, чтобы при номинальной скорости вращения (частоте) обеспечивалась максимальная выходная мощность на валу. При этом уменьшение номинальной частоты является следствием возникновения потерь на удар пара о лопатки с единовременным повышением момента вращения, а повышение частоты – к снижению момента вращения.
Таким образом, наиболее экономичный режим работы достигается при оптимальной частоте.
Помимо этого, работа на пониженных частотах приводит к ускоренному износу рабочих лопаток и прочих частей и механизмов. Снижение частоты оказывает влияние на расход на собственные нужды станций.
Чем страшны колебания частоты в электросети
Частота переменного тока, используемого мировыми потребителями электроэнергии, допускает два стандарта. Практически во всех странах обоих Америк, Саудовской Аравии и ряде островных государств частота электросети составляет 60Гц, в остальных странах, включая Россию, электрооборудование потребляет переменный ток промышленной частоты 50Гц. Физически частоту переменного тока электросети легко представить в виде частоты вращения генераторов электростанций, точнее их подвижных частей – роторов.
Это один из наиболее важных параметров, характеризующих электрическую сеть, недаром отклонениям частоты в стандарте качества электроэнергии уделено особое внимание. Среди продолжительных отклонений напряжения от номинальных параметров, колебания частоты стоят на первом месте, и лишь потом сосредотачивается внимание на отклонениях напряжения. Стандартом ГОСТ 32144-2013 установлено максимальное отклонение значения частоты от принятых 50 герц, которые составляют ±0.4Гц. При этом номинальные значения частоты должны находиться в пределах 50±0.2Гц.
В чем опасность отклонений от нормально допустимых значений?
Чтобы оценить ущерб, который может принести факт изменения, в частности снижения частоты переменного тока, проблему следует рассматривать в двух аспектах: технологическом и электромагнитном. В обоих вариантах изменение частоты оборачивается экономическими потерями, в той либо иной степени несущими материальный ущерб.
В первом случае снижение частоты ведет к нарушению технологических процессов, связанных с замедлением работы производственного оборудования. Иллюстрацией этому служат частотные преобразователи – регуляторы частоты, предназначенные для плавного пуска мощных электродвигателей. Таким образом, в лучшем случае падает производительность оборудования, в худшем приводит к производству брака.
Электромагнитные потери связаны с изменением баланса реактивных и активных мощностей. Это негативным образом отражается на эффективности работы электрооборудования, так, например понижению частоты питающей сети на 1% сопутствует снижение мощности нагрузки асинхронного двигателя на 3%.
Неблагоприятным образом отклонения от основной частоты сказываются на электрооборудовании с сердечниками из электротехнической стали. Разогрев магнитопроводов приводит к общему нагреву электродвигателей, силовых трансформаторов, что в целом отражается на ресурсах оборудования.
Критично к понижению частоты и собственное технологическое оборудование электростанций. При значительных отклонениях (46 … 45Гц), связанных со снижением активной мощности, наступает так называемая «лавина частоты», происходит отключение энергосистемы.
Опасны для электрооборудования ситуации в случаях повышения частоты, как правило, возникающих при резком снижении потребителями электрической энергии нагрузки. Избыточная мощность в первую очередь опасна для оборудования электростанции. Повышение частоты питающего напряжения приводит к увеличению скорости вращения двигателя асинхронного типа, однако вращательный момент при этом падает. В случае отсутствия запаса по мощности это приводит торможению электродвигателя, вплоть до полного останова.
В дилетантской среде существует ошибочное мнение, что к изменениям частоты критично качество изоляции, вызывающее ее старение. Это не совпадает с действительностью, поскольку боится изоляция воздействия высших гармоник, а отклонения в несколько герц ей не страшны. Причина деструктивных процессов материала изоляции вызвана плохой синусоидальностью напряжения обусловленной наличием гармоник, кратных частоте основного напряжения. Правда, гармоники негативным образом отражаются и на самом оборудовании, что определяет необходимость борьбы с этим явлением.
В нашей компании Вы можете заказать измерение качества электроэнергии, посмотреть информацию о стоимости и порядке проведения работ можно здесь
Остались вопросы?
Заполните форму обратно связи ниже, наши специалисты свяжутся с Вами, проконсультируют, расскажут про возможные способы решения Вашей задачи.