Номинальные значения частоты в СЭЭС

http://www.youtube.com/watch?v=soRC3A_u6o4

Шановне товариство, брати і сестри – українці! Дозвольте, передати вам найщиріші вітання від українців, українського Донбасу. Щойно сюди, на Берестечко, приїхав з Горлівки, Донецької області. Мав там протягом кількох днів зустрічі: і в Донецьку, Горлівці... І знаєте, що мене найбільше цікавило? Не тільки зустрітись з прихильниками, поговорити з тими українцями, які цікавляться політикою, до речі, я вам скажу – це такі міцні люди… я на стільки захоплений після спілкування з нашими донеччанами, з мешканцями українського Донбасу. Там же ж дійсно треба бути героєм, щоб відстоювати українську позицію, коли є загальна зневага. Ходити у вишиваній сорочці, говорити українською мовою, вітатися українським гаслом: «Слава Україні!»… Але вони це роблять! Мене особливо вразила молодь – ровесники незалежності, які добре, грамотно володіють політичною ситуацією, які правильно ведуть агітацію… Це є наше майбутнє! Я є вражений і я пишаюся, що такі українці населяють нашу землю. Але я вкотре, товариство, переконався – нема різної України! Так, та частина України була 400 років під москалями. Ця частина України була під австро-угорцями, під поляками… Під румунами… Але, це хіба тільки одна і є різниця. Об’їхавши всю Україну, різні області, я вас запевняю – Народ цікавиться одним і тим самим, Народ живе тими самими проблемами. А ті проблеми, які сьогодні ті негідники, українофоби з Партії Регіонів, всі ті Януковичі, Табачникі, Колесніченкі намагаються перед виборами нав’язувати в нас тут – в Україні, типу теми української мови. Вона не хвилює переважну більшість людей! Не хвилює надання статусу російської державної! Не хвилює людей в донецькій області якісь особливі преференції російської мови, тому що там ніхто її не заперечує! Вони і так там говорять російською мовою. Але, коли я вчора підійшов у три кіоски в тій самій Горлівці, і чемно попросив: «Дайте мені, будь ласка, будь-яку україномовну газету. Дайте мені, будь ласка, хоча би який небудь україномовний журнал. Я вже не говорю про той, який видається у вас, тут, в Донецьку. Хай буде київський журнал, чи київська газета...» – Нічого нема, нічого нема! Вони розводять руками, кажуть: «Ні, немає». А натомість нам розказують про якусь Європейську Хартію Мов Національних Меншин! Нам розказують про необхідність захисту російськомовного населення! Я мав дискусію на місцевому донецькому телебаченні з одним з їхніх депутатів місцевих. То він, знаєте, як аргументами переді мною починає викидувати: «Я русскій», «Защітітє». Я говорю: «Чоловіче, кого ти захищаєш?» – «Я русскій захіщаю, грецкій язик захіщаю, єврєйскій язик захіщаю» – що, до речі, такого нема. А вони в тому законі написали: «Єврєйскій язик». Є Ідіш, є Іврид, а єврейського “язика” нема. Десь язики, які, хіба, телячі повилазили. І чоловікові, при всій області пояснив, що ця Європейська Хартія Мов Національних Меншин, вона стосується виключно тих мов, які в Європі ви-ми-ра-ю-ть! Типу лужицької (сербо-лужецької) мови в Німеччині, якої говорять тисяча людей; гагаузької мови; чи іншої. «Насправді, – кажу, – ви шо? Ваш “русскій язик” підклали під мову, яка вимирає?! Ну нема питань, але ви хочете захищати рускіх, греків, євреїв там, болгар, чи ще когось іншого. Ви одно забули – а хто українців буде захищати?! У вас що, в Донецькій області українців немає? Чи, може в Донецькій області є достатньо українських шкіл?! Товариство, це все є фарс. Все це робиться виключно перед виборами. Все це робиться виключно для того, щоб на тарілочці, царю-батюшкє Путіну, Янукович, який зараз має не найкращі стосунки з Москвою, міг представити закон про другу державну мову – російську. Оце є їхня мета. Фактично Партія Регіонів, для того, шоб прикрити злодіяння-зловживання, розвал економіки, масове розкрадання коштів на Євро 2012! – Ви собі просто не уявляєте! Це не мільйони! Це, навіть, не сотні мільйонів! Це мільярди вкрадених грошей в нас з вами. Під приводом, ніби-то, Євро. І що? В Донецьку так готувалися, готелі відкривали, а турист то не приїхав! Нема туриста в Україні. А якшо є – то його не так вже і багато. Провалилися вони з тим Євро. Ще розберемося, куди ті кошти пішли! І будемо відстоювати свої позиції, позиції української мови.» – я так і сказав мешканцям українського Донбасу. Товариство, знайте – ця Партій Регіонів, вона лишень прикриває свої економічні злочини всякими законами, які вони зараз там пропонують по гуманітарній політиці. Оця Партія Регіонів намагається затуманити Вам очі, каже, що вже «покращення не буде. Їжте свій язик. З хрумном там, з курачками… От їжте свій язик.» – каже Партія Регіонів своїм виборцям. І найцікавіше, товариство, хочете – вірте, хочете – не вірте, я там протягом трьох днів, хоча спілкувався масово з людьми, отак по вулиці йшов, по Донецьку, по Горлівці, по інших містечках, люди мене впізнавали, підходили, щось говорили, підходив десь там в магазині до продавщиць, щось питалася, десь в якісь інших установах, простих мешканців Донбасу, товариство, я не знайшов ні одного чоловіка, ні одної жінки, які би мені сказали, що вони хочуть голодувати за оту злощасну Партію Регіонів! Ні одного! Так, були такі, які казали: «Ми голодували, але зараз, в житті вже більше їх не будемо підтримувати». Тому все то, що вони розказують про їхню велику підтримку, про їхні рейтинги – БРЕХ-НЯ! Товариство, ми – українці, на передодні великих наших перемог. Так, нам зараз тяжко, але ця важкість мене переконує в тому, що якраз зараз, в цей момент, ми будемо майже максимально міцно, сильно, потужно, українсько духовно, враховуючи цей козацький дух, який звідси, випирає просто! Ми будемо згуртовані і ми вдаримо по всіх тих українофобах. Я переконаний, доля України не 28 жовтня буде вирішуватися, доля України буде вирішуватися в листопаді-місяці цього року. От тоді буде початок загального піднесення, коли люди вийдуть проти масових фальсифікацій янучар, і ми тоді доведемо, що ця країна – це є Українська держава! Що ми – українці маємо бути господарями на цій землі! Що ми маємо право говорити своєю рідною мовою. І найважливіше, шановне панство, – земля має горіти під ногами отим зрадникам-тушкам! Якщо ти знаєш свого ворога в лице, в обличчя – це одне, ти знаєш, що оце ворог. Але коли, він-негідник, вдягає сорочку вишивану, говорить: «Слава Україні!», а, падлюка, йде й голосує проти мови, проти України – це найбільший злочинець, це найбільший негідник, з всюда, від сіл, районів, містечок, до Києва! Такі люди мають бути вигнані з української землі, а не тільки з української політики! Тому, товариство, вірю, знаю – ми обов’язково переможемо, бо ми – українці, ми на своїй землі, ми говоримо своєю мовою, ми Велика Європейська Нація, ми найкращі!

Слава Україні!

Номинальные значения частоты в СЭЭС

 

Ниже приняты следующие условные буквенные обозначения:

СГ – синхронный генератор,

СЭЭС – судовая электроэнергетическая система,

ЭС – электрическая станция,

ЭЭС – электроэнергетическая система.

 

Историческая справка. В настоящее время в мире существуют два номинальных значения частоты для береговых электроэнергетических систем: 50 Гц и 60 Гц. В первых электрических установках частота была, как правило, несколько ниже этих значений. Так, в начале прошлого века в российском военно-морском флоте начали широко применяться установки переменного тока с частотой 37,5 Гц. При использовании коллекторных двигателей переменного тока, с целью улучшения условий коммутации тока между секциями обмоток якоря, подключённых к коллекторным пластинам, применяли пониженное значение частоты. Например, в Германии на электрическом железнодорожном транспорте использовалась частота Гц. (Чтобы избежать капитальных затрат на замену преобразователей и силовых трансформаторов это значение частоты используется на электрифицированных железных дорогах Германии и теперь.)

К середине прошлого века началось использование токов с частотой 200 Гц (ручной электроинструмент, электропилы для лесоразработок, станки для деревообработки и т.д.). В авиационных ЭЭС основной стала частота 400 Гц. На кораблях и судах получили широкое применение электронавигационное оборудование (гирокомпасы, лаги и эхолоты), радиосвязь и радиолокация, сложные электромеханические системы управления с большим количеством магнитных усилителей, сельсинов, вращающихся трансформаторов, серводвигателей и т.п., а также люминесцентное освещение. Все эти потребители стали питать от источников повышенной частоты, преимущественно 400 Гц. В качестве указанных источников использовали электромеханические, а затем полупроводниковые преобразователи. После второй мировой войны предпринимались попытки, чтобы в качестве основной частоты корабельных СЭЭС использовать повышенную частоту – 400 Гц (в США – экспериментальный эсминец «Тиммерман»). При этом на ЭС устанавливались СГ мощностью до 600 кВт с частотой вращения 12000 об/мин. Многочисленные и частые отказы электрооборудования (особенно электроприводов) на 400 Гц, а также проблемы, связанные с увеличением сопротивления кабелей и ростом их общей массы, заставили отказаться от этой идеи. В настоящее время ЭС с частотой 400 Гц применяют на относительно небольших судах, преимущественно с нетрадиционными способами удержания на водной поверхности: на подводных крыльях, на воздушной подушке и др. На крупных кораблях и судах ЭС используют традиционную промышленную частоту: 50 Гц или 60 Гц. Но достаточно большая часть потребителей электроэнергии¸ из числа перечисленных выше (электронавигационное оборудование, радиосвязь и радиолокация, системы автоматического управления, люминесцентное освещение и др.) получает питание от преобразователей с выходной частотой 400 Гц. Иногда при этом в качестве источника тока повышенной частоты применяют генераторные агрегаты.

Такой, достаточно сложный, путь поиска оптимального значения основной частоты СЭЭС определяется тем, что использование повышенной частоты приводит как к положительным, так и к отрицательным последствиям.

Основные положительные последствия – это снижение массы электрических машин, трансформаторов, реакторов, электрических аппаратов и конденсаторов.

Основные отрицательные последствия – это снижение надёжности работы электроприводов и другого электрооборудования, а также увеличение массы кабельной сети.

Рассмотрим причины и количественные оценки этих последствий применительно к отдельным разновидностям судового электрооборудования.

 

Электрические машины. Связь между расчётной мощностью машины S_p, её главными размерами (D – внутренний диаметр сердечника якоря, м; – расчётная длина машины, которая близка к длине сердечника якоря, м) и электромагнитными нагрузками ( – индукция в воздушном зазоре, Тл; A – линейная токовая нагрузка, А/м) выражается с помощью машинной постоянной Арнольда – C_A., м³/Дж:

(1)

(2)

Здесь использованы следующие обозначения: Ω – угловая скорость магнитного поля (синхронная угловая скорость), – угловая (круговая) частота переменного тока, f – частота напряжения статора, p – число пар полюсов, – коэффициент полюсного перекрытия, k_B – коэффициент формы кривой индукции, k_w – обмоточный коэффициент.

Удельные (приходящиеся на 1 кг сердечника статора) потери в стали пропорциональны произведению на частоту f в степени 1,3 – 1,5. Для повышенной частоты при сохранении условий охлаждения используют более тонкую высоколегированную сталь с уменьшенными потерями на вихревые токи и гистерезис и снижают значение , чтобы не допускать излишнего перегрева стали статора. (Для двигателей с частотой 400 Гц значение снижается примерно в два раза по сравнению с двигателями с частотой 50 Гц.). При этом машинная постоянная Арнольда, как следует из выражения (2), увеличивается. Если сохранить синхронную угловую скорость Ω, увеличив число пар полюсов пропорционально росту частоты f, то произведение возрастёт. Однако полные размеры и масса электрической машины могут даже снизиться. Такой результат объясняется тем, что из-за уменьшения магнитного потока, приходящегося на полюсное деление, при увеличении числа полюсов уменьшаются высота ярма и наружный диаметр сердечника статора D_a. Если же число пар полюсов увеличить в меньшей мере, чем частоту, то синхронная угловая скорость Ω возрастёт. При этом произведение , размеры и масса электрической машины уменьшатся. В основном, именно благодаря такому результату и переходят от частоты 50 Гц на частоту в восемь раз большую, на 400 Гц. При неизменных значениях расчётной мощности, и числа пар полюсов при переходе от 50 Гц к 400 Гц масса электрической машины снизилась бы в восемь раз. Реальное уменьшение массы при повышении частоты значительно меньше из-за снижения , что видно по данным таблицы 1. (Здесь при переходе от частоты 60 Гц к частоте 400 Гц число пар полюсов даже снижено: с p = 3 до p = 2.) В этой таблице приняты следующие обозначения: P – мощность, n – частота вращения, L – длина генератора, G – его масса. Частота вращения увеличилась в 10 раз, что больше отношения частот (400 / 60 = 6,7 раза), а масса генератора уменьшилась в значительно меньшей мере – в 3,5 раза.

Таблица 1

Показатели синхронных турбогенераторов фирмы «Вестингауз»

 

P, кВт	f = 60 Гц	f = 400 Гц
n, об/мин	L, мм	G, кг	n, об/мин	L, мм	G, кг

 

В таблице 2 приведены расчётные параметры асинхронных короткозамкнутых двигателей, выполненных при частоте 50 Гц на 3000 об/мин и при частоте 400 Гц для ряда частот вращения n: 3000 об/мин, 6000 об/мин и 8000 об/мин.

Таблица 2

Показатели асинхронных короткозамкнутых двигателей

 

P, кВт	Масса G, кг	Относительное значение массы KG
f =50 Гц	f =400 Гц	f =400 Гц
3000 об/мин	3000 об/мин	6000 об/мин	8000 об/мин	3000 об/мин	6000 об/мин	8000 об/мин
		19,5	13,2	9,7	1,15	0,78	0,57
2,8		24,6	17,5	14,5	0,72	0,51	0,43
		48,8		23,6	0,70	0,36	0,34
		88,7	46,8	32,4	0,68	0,36	0,25

Видно, что даже при одинаковой частоте вращения (3000 об/мин) двигатели с номинальной частотой 400 Гц имеют меньшую массу, чем при частоте 50 Гц. (Исключение составляет лишь случай наименьшей мощности двигателя – 1 кВт.) Использование двигателей, при мощности не менее 2,8 кВт, с частотой вращения 6000 об/мин позволяет уменьшить массу двигателей от двух до трёх раз, а с частотой вращения 8000 об/мин – от 2,3 до 4,0 раз. Причём выигрыш в массе растёт с ростом мощности двигателя.

Таким образом, увеличение частоты с 50 или 60 Гц до 400Гц позволило получить большое преимущество от использования повышенной частоты – значительное снижение массы электрических машин переменного тока.

Дополнительное снижение размеров и массы электрических машин повышенной частоты достигается увеличением линейной токовой нагрузки A. Для этого применяют кремнийорганическую изоляцию, обладающую повышенной теплостойкостью, и водяное охлаждение машин.

Недостаток применения двигателей с повышенной частотой вращения заключается в необходимости использовать повышенное число пар полюсов. Практически все судовые механизмы не могут быть изготовлены для работы с такой высокой частотой вращения, которая соответствует одной паре полюсов при частоте 400 Гц, то есть с частотой вращения 24000 об/мин. Большой проблемой является и возможность создания самой электрической машины с указанной частотой вращения. Для этого необходимо решить проблему обеспечения надёжности подшипников машины. (Это можно достичь, например, использованием подшипников на воздушной смазке.)

Часть судовых механизмов может быть выполнена для работы с частотой вращения, лежащей в диапазоне от 6000 об/мин до 8000 об/мин. К ним относятся центробежные нагнетательные насосы с небольшой высотой всасывания, турбокомпрессоры, сепараторы масла, некоторые осевые насосы и вентиляторы. Другие центробежные и осевые насосы при таких скоростях не обеспечивают достаточное время наработки на отказ, они разрушаются под действием кавитации. В таких случаях и для многих других приводов целесообразно использовать высокоскоростные асинхронные двигатели с встроенной или пристроенной редукторной передачей планетарного типа. И в таких случаях удаётся получить большое снижение массы при переходе на повышенную частоту. Так, короткозамкнутый асинхронный двигатель мощностью 11 кВт с частотой 50 Гц при 3000 об/мин имеет массу 89 кг. Другой асинхронный двигатель такой же мощности с частотой 400 Гц при 6000 об/мин, снабжённый редуктором, понижающим частоту вращения до 1000 об/мин, имеет массу вместе с редуктором всего 53 кг. То есть использование повышенной частоты и понижающего редуктора привело к уменьшению массы двигателя (вместе с редуктором) в 1,68 раза.

Палубные механизмы (лебёдки, шпили, брашпили), а также некоторые другие механизмы и при использовании асинхронных двигателей с частотой 50 Гц выполняются с приводом через понижающую передачу, с переключением числа пар полюсов в пределах от двух до 16. В таких случаях применение двигателей с увеличенным числом полюсов с теми же, что для двигателей с частотой 50 Гц, частотами вращения может оказаться непригодным. Использование же двигателей с повышенной частотой вращения при увеличении передаточного отношения в редукторе не всегда рационально, особенно для электроприводов, работающих в повторно-кратковременном режиме.

Причина снижения возможностей применения двигателей с повышенной частотой напряжения статора для работы в повторно-кратковременном режиме показана ниже, на примере данных, приведённых в таблице 3.

Кинетическая энергия A_k ротора двигателя при его вращении с синхронной угловой скоростью Ω₀равна . Потери энергии в обмотках двигателя в динамических режимах работы пропорциональны A_k. Коэффициент пропорциональности для пуска двигателя близок к единице, а для реверса – к четырём. В таблице 3 даны моменты инерции J для короткозамкнутых двигателей, выполненных при частоте 50 Гц на 3000 об/мин и при частоте 400 Гц для ряда частот вращения n: 3000 об/мин, 6000 об/мин и 8000 об/мин. (В этой таблице использованы те же самые двигатели, что и в таблице 2.)

Таблица 3

Расчётные данные асинхронных двигателей

 

P, кВт	Момент инерции J, кг*м2	Коэффициент потерь энергии
f =50 Гц	f = 400 Гц	f = 400 Гц
3000 об/мин	3000 об/мин	6000 об/мин	8000 об/мин	3000 об/мин	6000 об/мин	8000 об/мин
	0,002	0,01	0,00175	0,001	5,0	3,5	3,56
2,8	0,006	0,0155	0,0055	0,00225	2,58	3,67	2,67
	0,0275	0,0725	0,0155	0,006	2,64	2,25	1,55
	0,0675	0,2675	0,045	0,017	3,96	2,67	1,79

 

В таблице 3 приведены также результаты расчёта коэффициента потерь энергии . Здесь n ₅₀ = 3000 об/мин. Этот коэффициент показывает, во сколько раз потери энергии, имеющие место в переходных режимах, в обмотках двигателя, у которого частота напряжения статора 400 Гц, частота вращения n ₄₀₀ и момент инерции J ₄₀₀, больше чем в обмотках двигателя, у которого частота напряжения статора 50 Гц, частота вращения n ₅₀ и момент инерции J ₅₀. Видно, что при одной и той же частоте вращения n ₄₀₀ увеличивается с ростом мощности двигателя, из-за возрастания размеров ротора. По этой же причине значительно больше единицы при n ₄₀₀ = 3000 об/мин, он лежит в пределах от 2,6 до 5. (Диаметр ротора двигателей с этой частотой вращения при частоте 400 Гц в 1,32 – 1,6 раза больше, чем у двигателя той же мощности при частоте 50 Гц, из-за снижения при увеличении частоты.) Рост приводит к увеличению времени разгона, повышенным потерям и нагреву двигателя при пуске, торможении и переключении скорости, к снижению допустимой частоты включений двигателей. Указанные отрицательные последствия не позволяют сохранять частоту вращения двигателей таких электроприводов при переводе их питания на источник с повышенной частотой.

Перечисленные отрицательные последствия несколько уменьшаются, если использовать дополнительные ступени снижения скорости в понижающем редукторе и установить двигатель повышенной частоты с более высокой частотой ращения. Причём, чем больше частота вращения и больше передаточное число дополнительного редуктора, тем меньше вредное влияние повышенной частоты напряжения статора двигателя. Однако и при частоте вращения 8000 об/мин коэффициент остаётся слишком большим (лежит в пределах от 1,55 до 3,56). Определяемое этими значениями снижение числа включений электропривода в час и, следовательно, уменьшение производительности механизма, как правило, являются недопустимыми. В таких случаях приходится переходить к использованию тиристорных преобразователей в сочетании с двигателем постоянного тока или преобразователей частоты в сочетании с асинхронными двигателями промышленной частоты. Естественно, что в этом случае получается не выигрыш, а проигрыш по массе электропривода.

Трансформаторы, реакторы (в частности, реакторы пусковых устройств люминесцентных ламп), электрические аппараты, электрические магниты. У всех перечисленных устройств имеется общее конструктивное решение. Устройство состоит из магнитной системы и катушек (катушки) обмоток. Эти катушки охватывают участки (стержни) магнитной системы, проходя через её окна (окно). У трёхфазных реакторов или электромагнитов в магнитной системе имеются три стержня, два окна и три фазных обмотки, каждая из которых охватывает обычно по одному стержню. У трёхфазных трансформаторов каждый стержень магнитной системы охвачен, по меньшей мере, двумя обмотками: первичной и вторичной. У однофазных устройств магнитная система может иметь П-образную (или торообразную) или броневую магнитную систему. В последнем случае, как и для трёхфазных устройств, в магнитной системе имеются три стержня и два окна, но все обмотки охватывают один, средний, стержень и проходят через оба окна. Найдём связь между фазной расчётной мощностью устройства, частотой источника, подключённого к обмоткам устройства, и его конструктивными параметрами: сечениями окна и сердечника.

Будем упрощённо полагать, что всё напряжение источника, имеющее синусоидальную форму (его действующее значение равно U), приложенное к обмотке устройства, уравновешивается наведённой в обмотке ЭДС индукции:

(3)

где w – число витков обмотки, B – амплитудное значение магнитной индукции в стержне, – сечение стали сердечника, f – частота.

Сечение s_о окна магнитной системы можно найти, исходя из действующего значения тока I обмотки, числа её витков, коэффициента заполнения окна k_o и принятого значения плотности тока J в обмотке:

(4)

где n – число обмоток в окне. Для реакторов, электрических аппаратов и электрических магнитов однофазных n = 1, а трёхфазных n = 2. Последнее значение n справедливо и для однофазных трансформаторов. Для двухобмоточных трёхфазных трансформаторов n = 4. Из (3) и (4) получается следующее выражение

(5)

где S = U I – расчётная мощность одной однофазной обмотки.

Выражение (5) показывает, что при сохранении размеров устройства (произведения ) и неизменных расчётных значениях плотности тока и индукции расчётная мощность устройства изменялась бы пропорционально частоте. То есть при повышении частоты с 50 Гц до 400Гц расчётная мощность устройства выросла бы в восемь раз. Как отмечалось выше, во избежание перегрева магнитной системы от потерь на вихревые токи и гистерезис при повышении частоты приходится снижать значение индукции B. (При переходе от 50 Гц к 400 Гц примерно в 3,2 раза.) Поэтому реальное увеличение расчётной мощности происходит в меньших пределах (ориентировочно в 2,5 раза).

Произведение пропорционально четвёртой степени какого-либо линейного размера (например, высоты) рассматриваемого устройства. Масса устройства G пропорциональна третьей степени этого размера, то есть

(6)

где – конструктивный коэффициент. При неизменных расчётных значениях мощности, плотности тока и индукции масса устройства обратно пропорциональна частоте в степени ¾. При этих условиях повышение частоты с 50 Гц до 400 Гц привело бы к снижению массы устройства в раз, то есть в 4,76 раза. Реальное же снижение массы, из-за уменьшения индукции B происходит в меньшей степени.

Если пренебречь зависимостью конструктивного коэффициента от размеров устройства, то ориентировочно можно считать, что при увеличении частоты в 8 раз масса устройства снижается почти в два раза. Более точный результат для трёхфазных трансформаторов можно увидеть по данным таблицы 4. В этой таблице коэффициент K_G представляет собой отношение массы трансформатора с номинальной частотой 50 Гц к массе трансформатора той же мощности при номинальной частоте 400 Гц

Таблица 4

Масса трёхфазных трансформаторов

 

S, кВА	f = 50 Гц	f = 400 Гц	KG
			1.88
			1,94
			1,76

 

При переходе на частоту 400 Гц масса трёхфазного трансформатора снижается от 1,76 до 1,94 раза.

 

Конденсаторы. Статические конденсаторы используются в СЭЭС как элемент электрической цепи люминесцентных ламп и для компенсации реактивной мощности, потребляемой приёмниками (с целью повышения коэффициента мощности).

В первом случае необходимо обеспечить заданное емкостное сопротивление X_C конденсатора. При этом нужно определить, чему равна ёмкость C этого конденсатора при частоте f. Для этого применима формула

(7)

Эта формула показывает выгодность использования повышенной частоты, ведь чем больше частота, тем меньше ёмкость C, размеры, масса и стоимость конденсатора.

Во втором случае необходимо обеспечить заданное значение реактивной мощности конденсаторов, которое равно реактивной (индуктивной) мощности, потребляемой одним или группой приёмников электроэнергии:

(8)

где U – линейное напряжение сети, к которой подключена трёхфазная батарея конденсаторов, C – ёмкость одной фазы батареи, соединённой в треугольник. И в этом случае очевидна выгодность использования повышенной частоты, так как с увеличением частоты необходимая ёмкость снижается. Масса и стоимость батареи конденсаторов пропорциональна произведению . Следовательно, эти показатели снижаются примерно в восемь раз при переходе от частоты 50 Гц к частоте 400 Гц.

 

Электрическое освещение и приборы нагрева. На работу ламп накаливания и приборов обогрева с использованием резисторов изменение частоты в пределах от 50 Гц до 500 Гц не оказывает какого-либо влияния. Небольшие значения электрической мощности для систем освещения и обогрева отдельных помещений передаются по тонким кабелям. Коэффициент мощности токов, проходящих по этим кабелям, практически равен единице. Поэтому суммарная масса кабельных линий в системах освещения и обогрева при увеличении частоты остаётся неизменной. Так как у трансформаторов, питающих распределительную сеть освещения, с увеличением частоты масса снижается, то применение повышенной частоты для системы освещения является полезным.

Наибольшую выгоду представляет использование повышенной частоты в люминесцентном освещении. У пусковых устройств всех разновидностей: стартёрных устройств с емкостным или индуктивным балластом и резонансных устройств – при переходе на повышенную частоту снижается масса и стоимость из-за уменьшения этих показателей у реакторов и конденсаторов (до 5 и более раз). Кроме этого, проявляются и другие положительные эффекты использования повышенной частоты:

1. Увеличивается световая отдача ламп. (Максимальное увеличение световой отдачи имеет место в диапазоне частот от 400 до 1000 Гц.). Уровень освещённости повышается на 20 – 50 %.

2. Исчезает стробоскопический эффект.

3. Отсутствуют помехи радиоприёму.

4. Растёт срок службы ламп (примерно на 12%).

 

Электрические кабели. Повышение частоты приводит к ухудшению массовых и габаритных показателей кабельных линий электропередачи. Такое отрицательное действие повышенной частоты объясняется следующими причинами. Во-первых, активное сопротивление кабелей увеличивается вследствие эффекта вытеснения тока и эффекта близости. Поэтому для сохранения потерь мощности при увеличении частоты необходимо снижать значение тока, допустимое для токопроводящих жил кабеля. При этом приходится использовать кабели с большим сечением токоведущих жил по сравнению с кабелями, применяемыми для токов с частотой 50 Гц. Во вторых, увеличение активного и, в особенности, индуктивного сопротивления токопроводящих жил приводит к росту потери напряжения в линии электропередачи. Для обеспечения допустимых значений потери напряжения в длинных линиях электропередачи приходится выбирать другие кабели. Как правило, в этом случае увеличивают число кабелей, включённых в линии параллельно. В третьих, при повышенной частоте необходимо учитывать потерю напряжения на концах кабеля, так как при разделке кабеля его жилы отдаляются друг от друга, что приводит к местному увеличению индуктивности линии. В четвёртых, при повышенной частоте необходимо учитывать потерю напряжения в индуктивных сопротивлениях автоматических выключателей, особенно с малыми номинальными токами. Рассмотрим количественные показатели, характеризующие каждую из этих причин.

Снижение допустимого значения тока кабеля определяется поправочным коэффициентом k ₁, на который умножается допустимое значение постоянного тока. При частоте 50 Гц этот коэффициент меньше единицы только для самых больших сечений q токоведущих жил: для сечения 185 мм² он равен 0,99, а для сечения 240 мм² он составляет 0,98. Значения этого коэффициента для частоты 400 Гц даны в таблице 5.

 

Таблица 5

Значения поправочного коэффициента k ₁ при 400 Гц

 

q, мм2
k 1	0,99	0,98	0,97	0,94	0,88	0,83	0,79	0,75	0,69

 

Увеличение потери напряжения в кабельных линиях определяется, главным образом, тем, что индуктивное сопротивление жилы, при практически неизменном значении её удельной индуктивности, увеличивается пропорционально частоте. То есть при переходе от частоты 50 Гц на частоту 400 Гц оно возрастает в восемь раз. Если при частоте 50 Гц, для сечений жил до 50-70 мм² и коэффициентах мощности не менее 0,7, можно не учитывать вообще потерю напряжения в индуктивных сопротивлениях кабелей, то при частоте 400 Гц так делать нельзя. Потеря напряжения в индуктивных сопротивлениях кабелей, особенно больших сечений, при частоте 400 Гц может намного превосходить потерю напряжения в активных сопротивлениях кабелей. Если в кабеле с сечением жил, выбранным по условию допустимого нагрева, потеря напряжения при частоте 50 Гц превосходит допустимое значение, то эту ситуацию легко исправить. Для этого можно заменить кабель на другой, с большим сечением токоведущих жил. Для частоты 400 Гц такое решение не годится. Чтобы убедиться в этом следует познакомиться с данными, приведёнными в таблице 6. Видно, что при увеличении сечения жилы в 240 раз индуктивное сопротивление снизилось только в 1,6 раза. Еще меньше изменяется индуктивное сопротивление для кабелей с самыми большими сечениями.

Таблица 6

Удельные индуктивные сопротивления двух- и трёхжильных кабелей марки КНРП, Ом/км

 

q, мм2	1.0	1,5	2,5
X, Ом/км	1,18	1,11	1,08	1,01	0,95	0,92	0,87	0,85

 

q, мм2
X, Ом/км	0,82	0,78	0,76	0,75	0,73	0,73	0,73	0,73

 

Так, при увеличении сечения с 50 мм² до 240 мм² индуктивное сопротивление кабеля уменьшилось всего на 7%. Таким образом, переход на кабели с большим сечением токоведущих жил, что вызывает увеличение массы и стоимости линии электропередачи, не сопровождается сколько-нибудь заметным уменьшением потери напряжения на индуктивном сопротивлении кабеля. Возможно только одно решение – использовать для частоты 400 Гц вместо одного кабеля, пригодного для частоты 50 Гц, несколько включённых параллельно тонких кабелей. При этом, конечно, по сравнению с линиями для 50 Гц, увеличивается масса и стоимость линий, передающих электроэнергию при частоте 400 Гц, а также трудоёмкость электромонтажных работ линий.

Увеличение потери напряжения в кабельном пучке на участке его разделки в местах присоединения к шинам возрастает с повышением частоты и числа параллельно включённых кабелей. Для коротких трасс, рассчитанных на большие токи с частотой 400 Гц, пренебрежение этой частью потери напряжения приводит к ошибке в её определении до 50 – 60 %. Так, например, потеря напряжения в двух кабельных разделках (с двух концов трассы) пучка из 10 трёхфазных кабелей сечением 3*70 мм² при активно-индуктивной нагрузке с cos φ; = 0,8 составляет около 0,3 %.

 

Потеря напряжения в автоматических выключателях (в относительных единицах) зависит от номинального тока расцепителя выключателя, значения проходящего по нему тока и его коэффициента мощности, от типа выключателя, частоты и напряжения сети. Она растёт при увеличении проходящего тока и его частоты и при снижении коэффициента мощности и напряжения сети. При увеличении номинального тока выключателя потеря напряжения в нём сначала снижается, достигая минимума – 0,1 % при частоте 400 Гц, cos φ; = 0,8 и напряжении 380 В, когда номинальный ток выключателя примерно равен 1500 А. Дальнейший рост номинального тока приводит к увеличению потери напряжения (при 3000 А около 0,5%). При малых номинальных токах потеря напряжения становится существенной. С уменьшением номинального тока с 10 до 2 А потеря напряжения при cos φ; = 0,65 и напряжении 380 В возрастает с 0,6% до 2,5%.