Сутність явища перекосу фаз

Перекос фаз досить поширене явище у нерівномірно навантажених трифазних мережах. Практично всі, хто так чи інакше стикався з проблемами, пов’язаними із споживанням електроенергії, знають про це небажане явище. Перекос фаз проявляється у трифазних чотирьох-(п’яти-) провідних мережах з глухозаземленою нейтраллю напругою до 1000 В.

Мал. 1. Векторна діаграма напруг

В ідеальному стані фазна напруга (напруга між кожною з трьох фаз і нульовим робочим провідником) становить 220 В. Векторна діаграма напруг генератора (модель, що відображає взаємозв’язок та взаєморозташування фазних та лінійних напруг) показана на малюнку 1.

Лінійна напруга утворює рівносторонній трикутник з вершинами UA, UB, UC. Фазні напруги 0A, 0B і 0C рівні між собою і зміщені одна щодо одної на кут 120°. Дана модель є ідеальною і перекос фазної напруги в ній відсутній.

При підключенні на різні фази навантажень, які завжди відрізняються за величиною і за характером — резистивна і реактивна (індуктивна і ємнісна), в мережі живлення виникає перекос фазних напруг. Крім шкоди, яку завдає електроенергія низької якості безпосередньо електрообладнанню / електроприладам, виникають зрівнювальні струми, що викликають додаткові витрати електроенергії, і відповідно, палива, масла, рідини що охолоджує, при живленні від генератора.

Мал. 2. Схема, що ілюструє умови виникнення перекосу фаз

RA, RB, RC – активні опори навантажень по фазах, причому RA > RB > RC ≠ 0.

Якби опори навантаження були рівні, то струми, що протікають через них, так само були рівні між собою. Враховуючи те, що кут зсуву між ними дорівнює 120 °, їх геометрична сума дорівнювала б нулю.

Однак при їх нерівності в результаті підсумовування виникає струм і00 ‘, який називається зрівнювальним і, отже напруга U00’, яка називається напругою зміщення.

Мал. 3. Напруга зміщення

Графічно напруга зміщення показано малюнку 3 білої суцільною лінією. Помаранчевими лініями позначені фазні напруги, зміщенні одна щодо одної на довільний кут і відображають перекос фаз. Трикутник на фоні ілюструє ідеальну ситуацію без перекосу фазної напруги.

Чим більший зрівнювальний струм, тим більше втрати електроенергії у Вашій мережі. Чим більше напруга зміщення, тим вищий ризик пошкоджень, відключень, відмов, нестійкої роботи електроустаткування / електроприладів, генератора електроенергії, тим швидше вони зношуються і тим більше споживають ресурсів.

Наслідки перекосу фаз

Наслідки перекосу фаз виявляються у збільшенні електроспоживання від мережі, у неправильній роботі електрообладнання/електроприладів, їх збоях, відмовах, відключеннях, перегоранні запобіжників, зносі ізоляції. Для трифазних автономних джерел нерівномірність завантаження їх фаз може призвести до механічних пошкоджень підшипників валів, підшипникових щитів генератора і приводного двигуна, закоксовування форсунок і т.д.

Умовно негативні наслідки перекосу фаз можна поділити на три групи:

1) наслідки для електроустаткування / електроприладів, пов’язані з їх ушкодженнями, відмовами, збільшенням зношування, скороченням періоду експлуатації;

2) наслідки для джерел електроенергії (збільшення зносу, пошкодження, збільшення енергоспоживання при живленні від мережі; підвищена витрата палива, масла, охолоджуючої рідини при живленні від генератора; пошкодження генератора; зменшення призначеного терміну експлуатації);

Традиційні способи вирішення проблем, пов’язаних із електроенергією низької якості

Для забезпечення заданої напруги на кожній фазі традиційно використовуються стабілізатори напруги. У побутових умовах застосовують однофазні стабілізатори напруги, які забезпечують захист окремих електроприладів чи їх невеликих груп. У промислових умовах використовують трифазні стабілізатори напруги різної потужності, які конструктивно складаються з трьох однофазних стабілізаторів напруги.

Принцип їх дії такий, що вони реагують на відхилення на кожній окремо взятій фазі і піднімають або опускають напругу до необхідного рівня на своїй фазі, провокуючи зміну напруги на двох інших фазах і, таким чином, є вторинною причиною виникнення перекосу фаз.

З викладеного вище випливає, що трифазні стабілізатори напруги фактично не вирішують поставлене перед ними завдання, оскільки самі провокують несиметрію трифазної системи. Крім свого основного недоліку трифазні стабілізатори напруги споживають значну кількість електроенергії і вимагають значних сервісних витрат, оскільки мають низьку надійність. І електромеханічні, і електронні стабілізатори напруги мають деталі, що швидко зношуються і часто відмовляють.

Стабілізатор фаз (СФТСЗ)

Для вирішення задачі усунення перекосу фаз і забезпечення заданої фазної напруги необхідно використовувати технологію, що дозволяє вирівнювати напругу не на кожній з фаз окремо, а симетрувати фази між собою, тобто симетрувати всю трифазну систему. Така технологія може бути реалізована на базі стабілізатора фаз, який володіє високою ефективністю, малим споживанням електроенергії та, при цьому, забезпечує суттєве зниження споживання електроенергії.

Стабілізатор фаз вирішує широкий спектр завдань щодо забезпечення стійкої роботи трифазних мереж, підвищення їх енергоефективності та економічності, а саме:

• підвищення якості електроенергії за рахунок усунення перекосу напруг (фаз) та фазних навантажень;
• розподілення навантаження міх фазами;
• захист джерела живлення (генератора) та споживачів електроенергії від відмов, спричинених негативним впливом перекосу напруг (фаз) та фазних навантажень;
• забепечує кращі умови єлектроманітної сумісності джерел та споживачів електроенергії.
• запобігання передчасному виходу з ладу джерела живлення (генератора), електроустаткування та електроприладів;
• можливість підключення фазних споживачів потужністю до 50% трифазної потужності

Переваги використання СФТСЗ

Економічність:

Стабілізатор фаз забезпечує:

• зниження споживання електроенергії та збереження навантаження;
• зниження витрат на електроенергію для живлення електроспоживачів;
• зниження витрати електроенергії та інших ресурсів на забезпечення необхідної величини фазної напруги;
• зниження витрат на паливо, масла, охолоджувальну рідину при живленні від генератора;
• зниження витрат на генератор, т.я. така технологія дозволяє використовувати генератор меншої потужності тієї ж групи електроспоживачів;
• зниження витрат на ремонт, сервісне обслуговування та заміну електроустаткування / електроприладів, пошкоджених внаслідок перекосу фаз;
• зниження витрат на ремонт, сервісне обслуговування, придбання пристроїв, призначених для забезпечення заданої величини напруги та які мають низьку надійність і низьку ефективність;
• можливість підключення фазних споживачів потужністю до 50% трифазної потужності

Діапазон зміни фазної напруги

Представлена технологія допускає 100%-ий перекос навантаження і усуває перекос фазних напруг у всьому діапазоні їх зміни незалежно від причини перекосу: (1) перекос в мережі, викликаний несправностями в розподільній мережі, (2) нерівномірний розподіл фазних навантажень, (3) підключення потужного споживача; (4) комбіновані причини.

На малюнку 4 показані різні діапазони перекосу фазної напруги.

Мал. 4. Діапазон перекосу фазної напруги

Прикладні задачі, які вирішуються за допомогою застосування представленої технології:

Усунення перекосу фазних напруг, тобто. вирівнювання фаз мережі один щодо одного.
Рівномірний розподіл навантажень за фазами.
Забезпечення заданої величини фазної напруги.
Перетворення трифазної трипровідної мережі на трифазну чотирипровідну (тобто формування нульового робочого провідника для можливості підключення фазного навантаження).
Перетворення трифазної мережі на однофазну або двофазну:
з гальванічною розв’язкою, або без, мережі живлення та споживача, із зміною (збільшенням чи зменшенням) вихідної напруги.

Нижче на малюнках представлені варіанти підключення навантаження без використання представленої технології та з використанням представленої технології.

Мал. 5. Підключення навантаження безпосередньо до мережі. Максимальне навантаження на одну фазу становить третину від трифазної потужності джерела електроенергії

Підключення потужного однофазного електроприймача викликає перекос фаз та підвищує ризик його пошкоджень та пошкоджень інших електроприймачів. Якщо потужність такого фазного споживача перевищує третину трифазної потужності, це визиває його неправильну роботу (збій, відключення, відмова).

Мал. 6. Підключення потужнішого навантаження до того ж (див. рис. 4) джерелу електроенергії з використанням представленої технології.

Максимальне навантаження на одну фазу може становити 50% від трифазної потужності джерела електроенергії. Джерело електроенергії сприймає навантаження як рівномірно розподілене по фазах.

Мал. 7. Підключення того ж навантаження (див. рис. 4) до генератора меншої потужності з використанням представленої технології

Представлена ​​технологія дозволяє підключати ту ж групу електроприймачів до генератора електроенергії меншої потужності, при цьому джерело електроенергії сприйматиме навантаження як рівномірно розподілене по фазах.

Обладнання, вироблене на основі цієї технології, сертифіковане та відповідає ТУ.

Результат підвищення енергоефективності при масовому впровадженні

Масове впровадження такої технології дозволить раціональніше використовувати електроенергію, знизити її втрати; забезпечувати тих самих споживачів (групи електроприймачів) меншою кількістю електроенергії; знизити витрати на електроенергію, витрати на паливо, олію, що охолоджує рідину при живленні від генератора; продовжити термін служби електроприймачів, зменшити їх знос, забезпечити безвідмовну роботу електроприймачів; зменшити витрати на джерела електроенергії, тому що для тієї ж групи електроприймачів можливе використання генератора меншої потужності.