Зависимость частоты от мощности: Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников

Автоматическое регулирование частоты и активной мощности

Постоянство частоты тока — основное условие нормальной работы потребителей электроэнергии.

Снижение частоты тока приводит к уменьшению частоты вращения электродвигателей электромеханизмов и к значительному понижению их производительности. Понижение частоты приводит к уменьшению к. п. д. первичных двигателей.

Повышение частоты тока сверх номинальной приводит к возрастанию мощности электродвигателей и к увеличению потребления электроэнергии судовыми механизмами; возрастает также температура нагрева, перегрев электро-двигателей.

Регулирование частоты тесно связано с распределением активной мощности между агрегатами судовой электростанции, так как восстановление частоты в электроэнергетической системе достигается путем изменения активной мощности этих агрегатов.

Устройства автоматического регулирования должны поддерживать постоянство частоты в электроэнергетической системе при экономически наивыгоднейшем распределении нагрузки между агрегатами и обеспечивать высокую надежность работы системы как в нормальных, так и в аварийных режимах.

Причиной изменения частоты вращения является нарушение баланса между суммарной мощностью, вырабатываемой генераторами, и суммарной мощностью, потребляемой приемниками.

Регулирование частоты тока осуществляется регуляторами частоты вращения первичных двигателей и регуляторами частоты тока. Первые непосредственно реагируют на изменение частоты вращения первичного двигателя, а вторые — на изменение тока генератора и его частоты.

Структурная схема системы автоматического регулирования частоты тока и распределения активной мощности (рис. 21.6) включает следующие элементы: измерительный элемент регулятора частоты вращения ИЭРЧВ, реагирующий на отклонение частоты вращения от заданного значения; исполнительный орган регулятора частоты вращения ИОРЧВ; измерительный орган частоты тока (датчик частоты) ДЧ; измерительный орган активного тока (датчик активного тока) ДАТ; усилитель У; серводвигатель СД- исполнительный орган устройства регулирования частоты тока и распределения активной мощности;. первичный двигатель ПД; генератор Г.

При нарушении установившегося режима в системе приходят в действие регуляторы частоты вращения и частоты тока.

В процессе регулирования устанавливается новое значение частоты тока, определяемое статизмом характеристик регулирования.

Регулирование частоты тока и активной мощности генераторов осуществляется воздействием на исполнительный орган регулятора частоты вращения первичного двигателя.

Для регулирования частоты вращения и частоты тока применяются регуляторы с астатической 1 и статической 2 характеристиками (рис. 21.7), выражающими зависимость угловой скорости ω и частоты f от значения активной мощности Р.

При регулировании по астатической характеристике частота в системе остается постоянной независимо от величины нагрузки. Регулирование по статической характеристике дает возможность получить заданное распределение активной нагрузки между генераторами, но при этом с увеличением нагрузки частота уменьшается.

Коэффициент статизма характеристики регулирования определяется по формулам:

где ω_x.x, f_x.x— угловая скорость и частота при холостом ходе;

ω_ном , f_ном — угловая скорость и частота при номинальной активной нагрузке генератора.

Регуляторы частоты вращения характеризуются также степенью неравномерности

где n_х.х — частота вращения при холостом ходе;

n_ном— частота вращения при номинальной нагрузке;

n_ср — частота вращения при половинной нагрузке.

Основной способ регулирования частоты вращения — по мгновенному отклонению регулируемого параметра. На этом принципе основаны центробежные регуляторы частоты вращения, широко используемые в судовых электроэнергетических системах.

На каждой из генераторных секций ГЭРЩ (рис. 21.8) установлены: датчик активного тока ДАТ и усилитель У; кроме того, на секции генератора Г1 установлен прибор регулирования частоты ПРЧ.

Каждый из датчиков активного тока ДАТ измеряет активную составляющую нагрузки своего генератора. Датчики активного тока через блокирующие контакты генераторных выключателей соединены по дифференциальной схеме. Разностный ток их выходов протекает по обмоткам управления всех магнитных усилителей устройства. Выбор балластного агрегата (т. е. агрегата, регулировочная характеристика которого в процессе распределения остается фиксированной) осуществляется путем выключения питания усилителя выбранного агрегата. Выход каждого усилителя включен на обмотку управления двигателя регулятора частям вращения агрегата.

Устройство типа УРЧН, включенное в систему, работает следующим образом. При равенстве значений активных нагрузок генераторов выходные токи датчиков активного тока равны, ток в цепи дифференциальной связи между датчиками отсутствует, напряжения на выходах усилителей равны нулю и двигатели регуляторов частоты вращения не работают.

При рассогласовании значений активных нагрузок агрегатов в цепи дифференциальной связи протекает ток, определяемый значением разности выходных токов датчиков ДАТ; на выходах усилителей появляется напряжение, полярность которого определяется направлением тока в обмотке управления усилителя У. Включенные к выходам усилителей серводвигатели СД в зависимости от полярности сигналов воздействуют на настройки регуляторов частоты вращения РЧВ, которые соответственно перемещают регулировочные характеристики регуляторов частоты вращения агрегатов в сторону уменьшения величины рассогласования активных нагрузок, чем достигается пропорциональное распределение активной мощности между генераторами.

Уравнительные связи применяются для равномерного распределения реактивных нагрузок между параллельно работающими синхронными генераторами, имеющими автоматическую систему регулирования напряжения.

Уравнительные связи осуществляют на постоянном и на переменном токе.

Принцип осуществления уравнительных связей на постоянном токе является единым для всех систем регулирования. В этом случае силовые выпрямители параллельно работающих генераторов по существу в свою очередь работают параллельно на общие шины, от которых при одинаковом напряжении питаются обмотки возбуждения генераторов. Если генераторы разной мощности, то в обмотку возбуждения генератора меньшей мощности включается соответствующий уравнительный резистор.

Схемы уравнительных связей на переменном токе для различных систем регулирования имеют специфические особенности.

Литература

Судовой механик: Справочник. Том 3 — Фока А.А. (2016)

Влияние частоты сигнала на энергетику радиолинков в свободном пространстве

Что меняется при изменении применяемого диапазона частот в радиосвязи – не всегда корректно могут сформулировать даже опытные радиолюбители. С одной стороны формула передачи Фрииса крайне проста, и обсуждать, казалось бы, нечего. С другой стороны, в этой формуле кроме явного упоминания длины волны λ, она неявно скрыта в других коэффициентах. Есть много утверждений, заметок и статей, что с более высокими частотами энергетика радиолинков хуже, не меньше есть и статей «разоблачений мифа» — мол ничем высокие частоты не хуже, учите матчасть.

Оба утверждения верны, причем верно и третье – с повышением частоты энергетика линка может значительно улучшаться. Всё зависит от сценария применения (накладываемых ограничений).

Любая передача информации, не только с помощью радиоволн, а и любых других волн (звуковых, ЭМ волн более высоких частот – т.е. света, гравитационных волн) может происходить в 3 сценариях:

1. Всенаправленное излучение и всенаправленный прием энергии.
2. Направленное (секторное, узколучевое) излучение и всенаправленный прием
3. Направленное излучение и направленный прием

В первом случае ни одна из сторон не знает местоположение в пространстве второй стороны, или не имеет средств наведения своих антенн на корреспондента.

К такому сценарию относятся практически все виды раций (военные, гражданские, авиационные), бытовые устройства (WiFi, Bluetooth, радиотелефоны, IoT, беспроводные сенсоры, телематика, брелки-отмычки), связь между спускаемым зондом и его космической станцией. Антенны обоих подвижных корреспондентов должны быть всенаправленными (изотропными) или близкими к ним.

Во втором случае, если одна из сторон стационарная и вероятное местоположение подвижного корреспондента ограничено некоторым сектором пространства – на стационарной стороне возможно применение направленной антенны, которая концентрирует энергию в избранном направлении, формируя луч (beam). Абонент подвижен, ни своего местоположения, ни положение базовой станции он не знает (или не имеет средств наведения антенн).

К такому сценарию относятся все виды обслуживания, когда стационарная базовая станция обслуживает подвижных абонентов (сотовая связь, репитеры для военных или гражданских раций, телерадиовещание на подвижных абонентов, спутниковая связь с подвижными абонентами, наземные станции космической связи обслуживающие высокоподвижные космические зонды). Антенна базовой станции имеет умеренную направленность и формирует луч для обслуживания желаемой зоны пространства. В идеале в любой точке зоны обслуживания на одинаковом расстоянии R от базы будет одинаковая плотность потока энергии Вт/м2. Антенна подвижного корреспондента должна быть всенаправленная (изотропная).

В третьем случае, если обе стороны знают о расположении другой стороны и имеют возможность направить туда свои антенны – можно существенно сэкономить энергию или увеличить скорость связи при тех же затратах энергии, за счет концентрации луча в пространстве.

К такому сценарию относятся все стационарные линии точка-точка: радиорелейные, WiFi точка-точка, радиолюбительская связь между 2 абонентами использующими направленные антенны; малоподвижные абоненты с возможностью точного позиционирования антенн на корреспондента (наземная станция космической связи и космическая станция с сервоприводами направленных антенн или двигателями позиционирования всей станции с жестко прикрепленной направленной антенной; перспективные модемы 5G mmWave или StarLink Илона Маска с автоматической настройкой луча активной фазированной решеткой АФАР; перспективные massive-MIMO модемы и базовые станции 4G/5G использующие большое количество антенн как АФАР)

Вернемся к формулам Фрииса

Здесь r (receiver) и t (transmitter) относятся к приемной и передающей антеннам, Pr/Pt – соотношение мощности на клеммах приемной антенны к мощности на передающей (больше – лучше), d – расстояние в тех же единицах измерения что и λ (например, в метрах)

Апертура антенны A (то же что «Эффективная/действующая площадь») связана с диаграммой направленности (ДН) антенны и её КНД (D = Directivity):

Для антенны в режиме приема эффективная площадь антенны (используется также термин эффективная поверхность антенны) характеризует способность антенны собирать (перехватывать) падающий на неё поток мощности электромагнитного излучения и преобразовывать этот поток мощности в мощность на нагрузке.

Независимо от типа и конструкции антенны, её апертура A и направленность D связаны математически через длину волны.

У всенаправленной (изотропной) антенны D=1 (0 dBi). Идеального изотропного излучателя на практике не существует, наиболее близким аналогом является обычный полуволновый диполь, у которого D ~1.64 (2.15 dBi)

Сравним апертуру полуволнового диполя (или его аналога – четвертьволновый штырь с противовесом), у которого КНД = 2.15 dBi

Передающая антенна во всех диапазонах формирует одинаковую, близкую к сферической, диаграмму излучения. Плотность потока мощности Вт/м² от всех источников на одинаковом расстоянии R будет одинаковая.

Но поскольку апертура приемной (тоже всенаправленной) антенны отличается на порядки, то и количество собранной энергии из той же плотности потока будет сильно отличаться.

Возьмем некий абстрактный канал связи, в котором мощность передатчика TX=1W, а чувствительность приемника -101 dBm (2 мкВ при 50 Ом нагрузке). В открытом пространстве (препятствия, поглощения, отражения, помехи здесь не рассматриваем), дальность связи составит:

В открытом пространстве (пока дальность не ограничена видимостью), увеличение частоты в 2 раза увеличивает требования к мощности передатчика в 4 раза. При одинаковой мощности передатчика, увеличение частоты в 2 раза снижает дальность тоже в 2 раза.

Именно этот эффект является доминирующим для объяснения, почему:

• CDMA/LTE-450 дальнобойнее за GSM-900, который в свою очередь дальнобойнее за GSM-1800.
• WiFi-2400 дальнобойнее за WiFi-5400
• Рации 27-40 МГц дальнобойнее за 144-174, которые в свою очередь дальнобойнее за 433-470

В сценарии №2, если на одной стороне разрешено использовать малонаправленную (секторную) антенну ситуация точно такая же как и в сценарии №1, только мощность передатчика может быть уменьшена на усиление антенны базовой станции. Поскольку требуемый сектор обслуживания не зависит от частоты, то направленность антенны БС нужна одинаковая (апертура антенны БС при этом конечно будет разной на разных диапазонах). При направленности БС 12 dBi (на 10 dB или в 10 раз больше чем у диполя 2 dBi) – выигрыш в мощности составит 10 dB (10 раз), дальность связи на мобильного абонента может быть такая же, как в предыдущей таблице, но уже при TX=0.1W. Для 5400 МГц она опять составит 25.7 км, а для 27 МГц – 5142 км.

В сценарии №3 возможны очень различные комбинации решений.

Если отбросить конструктивные ограничения и сложности, то при равной площади (апертуре) обоих антенн направленность обоих антенн D_r и D_t пропорциональна квадрату частоты. Поэтому эффективность приемной антенны останется неизменной (из одного и того же потока плотности Вт/м² будет извлечена одинаковая мощность на клеммах, независимо от частоты), а направленность передающей антенны увеличится пропорционально квадрату частоты. При увеличении частоты в 2 раза, луч станет тоньше в 4 раза, плотность потока Вт/м² в направлении на абонента увеличится в 4 раза.

При равных ограничениях на габариты/вес антенн, более высокие частоты более выгодны энергетически.

На практике же реализовать такое фундаментальное преимущество не так просто.

К антеннам с фиксированной частотно-независимой апертурой относятся только зеркальные параболические антенны. Количество энергии, которое собирает такое зеркало, не зависит от частоты, а луч диаграммы направленности становится более тонким с ростом частоты.

Но сложность в производстве параболической антенны заданного диаметра зависит не только от диаметра. Чем более высокая частота, тем более высокие требования к точности поверхности зеркала и более высокие требования к точности позиционирования и вообще жесткости всей конструкции.

С другими, незеркальными антеннами, ситуация намного сложнее. Все конструкции таких антенн могут быть описаны в частотно-независимых размерах (в лямбдах) и имеют фиксированную диаграмму направленности, присущую этому типу антенн, которая не зависит от выбранной частоты проектирования. Иными словами, например 7-элементная антенна волновой канал (Уда-Яги) будет иметь одинаковую диаграмму направленности и усиление ~10 dBi независимо на какую частоту её рассчитать: на 30 МГц или на 3000 МГц. Во втором случае её апертура будет в 10 000 раз меньше. Просто так, взять и увеличить размеры какого-то типа антенн чтобы увеличить апертуру – нельзя. Добавление каких-либо пассивных (паразитных) структур добавляет направленности очень незначительно (по сравнению с ростом габаритов) и лишь до небольших значений порядка 16 dBi (40 раз).

Дальнейшее повышение апертуры, которое соответствует направленности более 16 dBi на практике возможно только соединением многих антенн в ФАР (фазированную антенную решетку). Теоретически удвоение количества элементов в решетке может увеличивать апертуру в 2 раза, т.е. формировать в 2 раза более тонкий луч с усилением +3 dB. Но практически построение таких ФАР сопряжено с большими трудностями: сигнал от единого источника надо согласованными (по волновому сопротивлению) волноводами синфазно доставить к каждому из N элементов решетки.

Для небольшого количества элементов, например 2х2, 2х4, 3х3 такая задача решаема, а для бОльшего количества элементов она настолько сложна, что всегда проигрывает зеркальным параболическим антеннам, с помощью которых легко создается направленность 20-40 dBi, а в больших проектах (как наземные станции дальней космической связи) достигает 70 dBi (усиление параболической антенны диаметром 70 метров на частоте 5885 МГц).

Для примера рассчитаем дальность связи линии «точка-точка» с TX=1W, чувствительностью -101 dBm с парой параболических антенн диаметром D=1 метр и эффективностью использования апертуры k=60% (типичное значение для современных облучателей зеркала)

Для расчета КНД параболического зеркала воспользуемся формулой:

Увеличение частоты в 2 раза увеличивает дальность в 2 раза или позволяет применить на одной из сторон антенну с диаметром апертуры меньше в 2 раза, или с каждой стороны уменьшить диаметр антенны в SQRT(2) ~ 1,4 раза.

Требования к точности наведения луча (юстировки антенны на абонента) тоже растут пропорционально квадрату частоты.

В этой статье мы НЕ рассматриваем вообще другие вопросы, такие как отражение, дифракция, рефракция, поглощение в газах, препятствиях, атмосфере, ионосфере, шумовая и помеховая обстановка

Выводы

Повышение частоты радиосвязи может давать как преимущества так и недостатки в зависимости от сценария применения (техзадания).

В условиях подвижной безподстроечной связи низкие частоты более выгодны, т.к. апертура всенаправленной антенны пропорциональна квадрату длины волны. Увеличение длины волны в 2 раза увеличивает апертуру антенны в 4 раза. Это дает возможность или увеличить дальность в 2 раза (в условиях видимости и ограничения дальности связи по энергетическому бюджету) или снизить мощность передатчика в 4 раза при прочих равных.

По этой причине военные ранцевые, автомобильные и танковые рации продолжают проектироваться на самый низ диапазона УКВ – от 27 до 50 МГц, в то время как гражданская и коммерческая связь неумолимо осваивает всё более высокие частоты.

Полуволновый диполь (или четвертьволновый штырь с противовесом) на низких частотах более крупные, что является с одной стороны недостатком. С другой стороны именно этот недостаток и позволяет собирать из пространства больше энергии.

В условиях линий точка-точка низкие частоты тоже более выгодны во всех случаях, кроме применения параболических антенн с фиксированной апертурой. Для антенн с одинаковой направленностью апертура убывает пропорционально квадрату роста частоты. При росте частоты в 2 раза, размеры антенны того же типа уменьшаются в 2 раза (в каждом измерении, т.е. объем уменьшается в 8 раз), но расплатой за этой является снижение в 4 раза апертуры такой антенны.

А вот в линиях «точка-точка» с параболическими антеннами – наоборот переход на более высокие частоты позволяет при тех же диаметрах зеркала улучшать энергетический бюджет в 4 раза при росте частоты в 2 раза. Повышение частоты в 2 раза позволяет:

• при прочих равных увеличить дальность в условиях видимости в 2 раза
• при той же дальности уменьшить мощность излучения в 4 раза
• при прочих равных увеличить в 4 раза скорость линии

Расплатой за такое повышение являются повышенные требования к прецизионности изготовления, как самой антенны, так и механизма наведения (юстировки) на абонента.

Напряжение и частота низковольтных двигателей

Напряжение и частота низковольтных двигателей

Двигатели изготавливаются на номинальные напряжения:

220 В (Δ) / 380 В (Y), 380 В (Δ) / 660 В (Υ), 230 В (Δ) / 400 В (Y),400 В (Δ) / 690 В (Y), 240 В (Δ) / 415 В (Y), 415 В (Δ), 440 В (Y), 500 В (Y) и 500 В (Δ) при частоте 50 Гц.

Односкоростные двигатели на номинальное напряжение 220 В (Δ) / 380 В (Υ), 50 Гц без изменения мощности допускают работу от сети 60 Гц при напряжении 240 В (Δ) / 415 В (Υ).

Односкоростные двигатели на номинальное напряжение 400 В 50 Гц могут быть использованы при частоте сети 60 Гц и напряжении 460-480 В. При этом мощность двигателя может быть повышена на 15 %.

По заказу потребителей двигатели могут быть изготовлены и на другие номинальные напряжения при частоте 50 Гц.

Двигатели имеют исполнения на частоту 60 Гц при номинальных напряжениях 220 В (Δ),) / 380 В (Y), 380 В (Δ) / 660 В (Y), 220 В (YY) / 440 В (Y) и 480 В (Δ).

По заказу потребителей двигатели могут быть выполнены и на другие номинальные напряжения при частоте 60 Гц.

Не стоит забывать, что для эксплуатации на территории в странах СНГ рекомендуется использовать двигатели на 220/380В или 380/660В. Мотор, изначально рассчитанный на 400В, при питании от 380В теряет в КПД до 1. 5%, растут потери и рабочая температура активных частей.

В результате эксплуатации электродвигателей, не рассчитанных на работу в РФ появляется ряд негативных последствий, среди которых:

1. • рост энергопотребления и затрат на электроэнергию,
2. • падение надежности и срока службы двигателей.

В соответствии с ГОСТ 28173 (МЭК 60034-1) двигатели могут эксплуатироваться при отклонении напряжения ± 5 % или отклонении частоты ± 2 % и одновременных отклонениях напряжения и частоты, ограниченных зоной “А” ГОСТ 28173 (МЭК 60034-1). При этом параметры двигателей могут отличаться от номинальных, а превышения температуры обмоток могут быть более предельного по ГОСТ 28173 (МЭК 60034-1) на 10 °С.

Двигатели могут стабильно работать при отклонении напряжения ±10 % или отклонении частоты от +3 % до -5 % и одновременных отклонениях напряжения частоты, ограниченных зоной “В” ГОСТ 28173 (МЭК 60034-1). Время работы в крайних пределах зоны “В” рекомендуется ограничивать.

Двигатели, имеющие сервис-фактор 1,15 могут длительно работать при отклонении напряжения ±10 % и номинальной нагрузке.

Частота мощности – обзор

6.5 Статический гистерезис и потери в сердечнике по переменному току

Высокая магнитная проницаемость желательна для применений, в которых материал сердечника переключается в условиях слабого поля, таких как синфазные дроссели или прерывания при замыкании на землю. Низкая магнитная проницаемость необходима для высокочастотных силовых трансформаторов в приложениях силовой электроники или интерфейсных трансформаторов для телекоммуникаций. В обоих случаях общими характеристиками, повышающими производительность, являются низкие потери, высокое удельное сопротивление и хорошая термическая стабильность.Управление проницаемостью и снижение потерь в сердечнике — два инженерных аспекта этих материалов, которые важны для применения и будут обсуждаться в этом разделе.

Магнитостатические эффекты (например, порошки) и наведенная магнитная анизотропия (посредством отжига под напряжением или магнитным полем) могут использоваться для настройки проницаемости во время обработки сплава. В обоих случаях магнитные домены могут играть важную роль в переключении. Магнитные домены легко образуются в магнитомягких материалах из-за их большой намагниченности и малых значений магнитной анизотропии, что способствует уменьшению магнитостатической энергии.Чтобы насытить материал, необходимо приложить магнитное поле, чтобы выметать неблагоприятно ориентированные домены из материала, а затем повернуть оставшийся благоприятно ориентированный домен в направлении магнитного поля. Из размагниченного состояния небольшие приложенные магнитные поля вызывают обратимое движение доменных стенок до тех пор, пока доменные стенки не достигнут центров закрепления в материале. Дополнительное поле требуется для смещения доменных стенок от центров пиннинга, что приводит к необратимому движению доменных стенок (большой вклад в коэрцитивную силу).Когда все доменные стенки удаляются из материала, намагниченность поворачивается в направлении приложенного поля по мере дальнейшего увеличения поля. Петля магнитного гистерезиса возникает в результате циклического изменения магнитного поля между большими положительными и большими отрицательными полями. Когда это делается медленно, площадь, охватываемая петлей, сводится к минимуму, и это называется статическими гистерезисными потерями. Высокочастотное переключение приводит к большим потерям из-за образования вихревых токов, которые экранируют приложенное поле и ограничивают переключение поверхностью материала.

Общие потери в сердечнике материала, коммутируемого на высоких частотах, зависят от амплитуды приложенного поля, гистерезисных потерь, частоты возбуждения и геометрии образца, а также от вихревых токов. На рис. 4.68 показана проницаемость различных современных магнитомягких материалов для переключения в слабом поле на различных частотах. Было обнаружено, что отжиг в поперечном поле снижает проницаемость (например, сдвигает петлю гистерезиса) в Fe _73,5 Si _13.5 Nb ₃ B ₉ Cu ₁ , в то время как отжиг в продольном поле дает лучшую прямоугольность контура и увеличивает максимальную проницаемость (Herzer, 1995). Для порошковых сердечников распределенный воздушный зазор вызывает снижение проницаемости из-за действия размагничивающего поля. При достаточно высоких частотах магнитный резонанс материала снижает проницаемость на пределе Снука (отмечено на рис. 4.68).

Рисунок 4.68. Сравнение относительной проницаемости при различных частотах переключения для нескольких магнитомягких материалов (Chikazumi and Graham, 1997; Mazaleyrat and Varga, 2000; Thornley and Kehr, 1971; Yoshizawa et al., 1988б).

Потери в сердечнике хорошо описываются их вкладами от нечувствительных к частоте источников (например, гистерезисных потерь) и частотно-чувствительных источников (например, классических и избыточных или аномальных потерь на вихревые токи). До сих пор обсуждение коэрцитивной силы в основном относилось к нечувствительным к частоте измерениям, проводимым с помощью магнитометрии с вибрирующим образцом. Площадь петли гистерезиса представляет собой гистерезисные потери, и она тесно связана с шириной петли (т. Е. Коэрцитивной силой).Представленные здесь нанокристаллические сплавы обычно имеют низкие гистерезисные потери из-за их мелкозернистой микроструктуры в сочетании с их низкой магнитоупругой анизотропией. Потери на вихревые токи в этом классе материалов начинают проявляться на частотах, приближающихся к десяткам и сотням килогерц. Вихревые токи имеют тенденцию увеличиваться, когда толщина скин-слоя материала (т. е. δm ~ ρe/πfμ0μ) меньше половины толщины ленты. В то время как некоторые исследования аморфных сплавов были посвящены уменьшению толщины ленты в попытках увеличить рабочую частоту, работы по нанокристаллическим материалам практически не проводились (Beatrice et al., 2008).

Как правило, потери на вихревые токи можно описать формулой

Pcv∝d2f2B2ρe

, где d — толщина ленты, f — частота коммутации, B — амплитуда магнитной индукции, — амплитуда магнитной индукции, ρ _e — удельное электрическое сопротивление. Из этого уравнения видно, что быстро отвержденные нанокомпозитные ленты имеют оптимальную толщину ( d ∼ 18–25 мкм) и небольшое удельное сопротивление (100–130 мкОм·см), что помогает ограничить потери на вихревые токи. Дополнительный член вихревых токов доминирует на частотах в десятки кГц, что связано с быстрым переключением намагниченности вблизи доменных стенок (так называемые избыточные потери на вихревые токи) (Ferrara et al., 2000; Willard et al., 2005).

На рис. 4.69 показаны потери в сердечнике для нескольких современных магнитомягких материалов. Потери в сердечнике естественным образом увеличиваются по мере увеличения амплитуды магнитной индукции (или соразмерно напряженности магнитного поля) из-за постепенно увеличивающейся площади, заметаемой более крупными второстепенными петлями гистерезиса (рис.4.69а). Когда материал начинает насыщаться, намагниченность материала обеспечивает меньшее увеличение индукции (а магнитное поле обеспечивает большее). Это требует значительно большей энергии, что приводит к резкому увеличению потерь в сердечнике вблизи насыщения. Потери в сердечнике также увеличиваются с увеличением частоты из-за динамического движения доменных стенок и потерь на вихревые токи (рис. 4.69б). В обеих частях рис. 4.69 нанокристаллические сплавы на основе (Fe,Si) имеют наименьшие потери при заданной амплитуде магнитной индукции (в A) или частоте переключения (в B).Это связано с обменным смягчением магнитокристаллической анизотропии за счет измельченной микроструктуры, близкими к нулю магнитострикционными коэффициентами за счет сбалансированных компонентов из фаз в нанокомпозите и высоким удельным сопротивлением остаточной аморфной фазы, позволяющим уменьшить вихревые токи.

Рисунок 4.69. (а) Сравнение потерь в сердечнике с амплитудой приложенной индукции для нескольких магнитомягких материалов с использованием синусоидальных сигналов и частоты переключения 50/60 Гц (Gutfleisch et al., 2011; Suzuki et al., 1991a) и (b) с частотой для нескольких магнитомягких материалов с использованием синусоидальной формы волны и амплитуды приложенной индукции 0,2 Тл (Suzuki et al., 1991a; Willard and Daniil, 2009; Yoshizawa and Yamauchi, 1989).

Коэрцитивность ( ч _C ), намагниченность насыщения ( м _с ), а начальная восприимчивость ( χ ₀ ) использовались для определения переключающего поведения Fe _73,5 Si _{13. 5} B ₉ NB ₃ CU ₁ сплавов в ассортиментах и ​​отожженных условиях с использованием соотношения χ ₀ H _C / M _S (ZBRoszczyk, 1994) . Было рассчитано, что когерентное вращение имеет значение 0,21, а движение доменных стенок — значение 0,008 (Herzer, 1990; Hofmann et al., 1992), последнее выгодно отличается от экспериментальных данных для оптимально отожженных образцов (0,0079) (Zbroszczyk, 1994). .

Регулирование частоты в энергосистеме

Электроэнергетическая система характеризуется двумя основными важными параметрами: напряжением и частотой.

Чтобы поддерживать ожидаемые условия работы и обеспечивать энергией всех подключенных пользователей (нагрузок), важно контролировать эти два параметра в заданных пределах, чтобы избежать непредвиденных помех, которые могут создать проблемы для подключенных нагрузок или даже привести к выходу системы из строя. потерпеть неудачу.

Наиболее часто используемая номинальная частота (Fn) в энергосистемах составляет 50 Гц (Европа и большая часть Азии) и 60 Гц (Северная Америка). Причины такого выбора основаны на технических компромиссах и исторических ситуациях.

Обычно при работе системы в диапазоне частот Fn±0,1 Гц она находится в штатных условиях, а при работе в диапазоне частот от 47,5 до 51,5 Гц (например, в сети 50 Гц) это называется аварийным состоянием или восстановлением состояние. Эти значения могут меняться от страны к стране.

Колебания частоты в энергосистеме происходят из-за дисбаланса между генерацией и нагрузкой. Когда значение частоты энергосистемы достигает аварийного состояния, инициируется стратегия управления.

Управление частотой разделено на три уровня: первичное, вторичное и третичное управление. Каждый регулятор частоты имеет определенные особенности и назначение.

Первичный контроль 

Первичный контроль (или контроль частотной характеристики) является автоматической функцией и является самым быстрым среди трех уровней, так как его период отклика составляет несколько секунд.

При возникновении дисбаланса между генерацией и нагрузкой изменяется частота энергосистемы.

Например, при увеличении нагрузки генерируемая мощность изменяется не сразу, поэтому энергия для компенсации этого увеличения нагрузки поступает от кинетической энергии вращающихся генераторов, которые начинают уменьшать скорость (это называется инерционным откликом). После этого момента регулятор скорости (называемый «регулятор») каждого генератора увеличивает мощность генерации, чтобы восстановить это снижение скорости и попытаться устранить дисбаланс.

Как правило, примерно за 30 секунд каждый блок генерации должен быть в состоянии генерировать необходимую дополнительную мощность, а затем поддерживать ее в течение не менее 15 минут (это время зависит от требований оператора системы передачи или TSO).

Все генерирующие установки, подключенные к высоковольтной энергосистеме, призваны предоставлять эту услугу, за исключением возобновляемых источников энергии (ВИЭ), не подлежащих планированию (т. е. ветер, солнечная энергия, биогаз, гидравлическая вода), поэтому по этой причине каждая должен иметь выделенную и надлежащую «резервную» мощность для выполнения этого регулирования в активном состоянии.

Целью первичного регулирования является устранение дисбаланса между генерацией и нагрузками, чтобы привести систему в стабильное состояние.Эта услуга является обязательной для всех генераторов, имеющих право на ее предоставление, и не вознаграждается.

Что касается непланируемых ВИЭ, то эти генераторы должны иметь возможность работать с определенной функцией P(f), чтобы модулировать свою мощность в соответствии со значением частоты. Это проще в случае превышения частоты, что требует снижения мощности. Однако это могло быть очень сложно (почти невозможно) при пониженной частоте, что потребовало бы увеличения мощности, что не всегда возможно (даже при резервной мощности) из-за нестабильности самого основного ресурса.

Непрерывный рост ВИЭ предполагает сокращение числа эксплуатируемых теплоэлектростанций с последующими трудностями в осуществлении такого регулирования частоты по причинам, изложенным выше. Уже анализируются различные решения, и некоторые из них уже используются в нескольких энергосистемах (системы накопления энергии на батареях являются одними из наиболее перспективных). Это одна из основных проблем массового внедрения ВИЭ в энергосистемы.

Вторичный контроль

После того, как первичное регулирование достигло своей цели, значение частоты отличается от номинального, запасы резерва каждого генератора использованы (или частично), а также обмен мощностью между взаимосвязанными энергосистемами отличается от заданного.Итак, необходимо восстановить номинальное значение частоты, резерв каждого ранее использовавшегося генератора и обмен мощностью между энергосистемами. Это цель вторичного контроля.

Для выполнения этой задачи некоторые генераторы имеют право на вторичное управление посредством выделенного резервного источника питания. Этот резерв зависит от требований каждого TSO и обычно представляет собой процент от максимально доступной мощности с предопределенным минимальным значением, которое гарантируется независимо от максимальной мощности каждого генератора.

Если значение частоты меньше номинального, необходимо запустить дополнительные генерирующие мощности, а если значение частоты выше номинального, необходимо остановить часть генерирующих мощностей или увеличить нагрузку.

Вторичное управление обычно выполняется автоматически всеми генераторами, участвующими в этом регулировании, посредством специальной «уставки», передаваемой центральным контроллером.

На рис. 1 показан пример первых двух уровней управления после частотного события в системе.Зеленая линия и красная пунктирная линия показывают две разные реакции в зависимости от уровня инерции системы (энергетические системы с малой выработкой, производимой вращающимися машинами, будут иметь низкий уровень инерции).

Рис. 1. Пример частотной характеристики после частотного события. Источник Научная статья Влияние распределенных энергоресурсов на частотное регулирование энергосистемы

Эта услуга обычно оплачивается в соответствии с условиями переговоров на каждом рынке энергетических услуг.

Третичный контроль

После завершения вторичного управления резервный запас, используемый для этого управления, также должен быть восстановлен, и это является целью третичного управления (или замещающего резерва) последнего уровня управления частотой.

Для выполнения этого восстановления оператор газотранспортной системы направляет отдельным производителям (даже тем, которые не участвуют во вторичном контроле) эксплуатационные предписания, связанные с изменением мощности для уже работающих генераторов, и, при необходимости, запрашивая пусковые генераторы, не работающие в это время. момент.

Этот уровень контроля не является автоматическим, а выполняется по запросу оператора сети, и его вознаграждение осуществляется по тем же правилам вторичного контроля.

Обзор трех уровней регулирования

В таблице ниже представлен краткий обзор трех уровней регулирования и основных характеристик каждого из них.

1.  Определяется местным TSO, и значения могут быть разными для каждой системы в соответствии с конкретными потребностями
2.  Определяется местным TSO, и значения могут быть разными для каждой системы в соответствии с конкретными потребностями
    

9.

1.2 Регулировка частоты | EBF 483: Введение в рынки электроэнергии

9.1.2 Регулирование частоты

В этом уроке мы уже несколько раз упоминали системную частоту. Поддержание частоты во всей системе на уровне, близком к 60 Гц, критически важно. Каждый отдельный генератор в большой энергосистеме должен вращаться с одной и той же скоростью, иначе сама система может стать нестабильной. В качестве аналогии представьте себе машину, движущуюся по прямой. Все колеса должны вращаться с одинаковой скоростью.Если бы одно колесо вдруг начало двигаться быстрее других, что бы произошло? Ну, если это одно колесо начнет вращаться немного быстрее, то остальная часть автомобиля может воздействовать на это одно колесо, чтобы заставить его замедлиться. Машина продолжала ехать прямо. Если это одно колесо начнет вращаться намного быстрее, машина может выйти из-под контроля.

Та же логика применима и к электросетям. Если частота системы немного отклоняется от 60 Гц, то вращающиеся генераторы, естественно, будут прилагать больше усилий друг к другу, чтобы вернуть эту частоту к 60 Гц. Если отклонение действительно большое, то сама по себе сетка станет нестабильной. Регулирование частоты (или просто «регулирование») — это инструмент, используемый операторами электросетей в тех случаях, когда системная частота становится слишком высокой или слишком низкой.

Чтобы понять, как частота может стать слишком высокой или слишком низкой, воспользуемся еще одной аналогией, показанной на рисунках ниже. Думайте об электросети как о ванне с краном и сливом. Уровень воды в ванне подобен частоте электросети.Если кран намного больше сливного, то уровень воды в ванне поднимется. Точно так же в энергосистеме, если предложение внезапно станет намного больше, чем спрос, частота поднимется выше 60 Гц. Это может произойти, если произойдет внезапный всплеск предложения (например, если ветер внезапно усилится, быстро увеличивая мощность ветра) или если произойдет внезапное падение спроса (например, все в США выключают свои телевизоры в час ночи). окончание Суперкубка).

Рисунок 9. 2: Частота энергосистемы подобна воде, втекающей и вытекающей из ванны. Чтобы уровень воды оставался постоянным, приток должен точно равняться оттоку.

Щелкните здесь для подробного описания фигуры

.

Имеются три стаканообразные схемы с входными (генерирующими) и выходными (нагрузочными) портами:

• На первой диаграмме приток равен оттоку, а частота стабильна на уровне 60 Гц.

• На второй диаграмме приток больше, чем отток, а частота повышается примерно на 60 Гц.<

• третья диаграмма, приток меньше оттока и частота падает ниже 60Гц.

Источник: Джо Это, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

Рисунок 9.3: Отклонения от частоты 60 Гц могут привести к корректирующим действиям, которые могут поставить под угрозу надежность энергосистемы.

Источник: Джо Это, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

Если слив больше, чем кран, то происходит обратное — уровень воды в ванне упадет. В энергосистеме, если спрос начинает превышать предложение, частота системы упадет ниже 60 Гц. Чаще всего это происходит при внезапном падении подачи, например, при внезапном отключении от сети большого генератора.

Как правило, операторам сети легче обрабатывать события превышения частоты, чем события понижения частоты. Если частота начинает превышать 60 Гц, это обычно происходит медленно, и операторы сети могут отреагировать, уменьшив мощность некоторых генераторов. Однако события пониженной частоты могут быть более серьезными, поскольку они часто бывают неожиданными и связаны с потерей крупного источника электроэнергии.Когда это происходит, восстановление частоты системы до 60 Гц включает в себя три этапа, которые в совокупности известны как «регулировка частоты». Эти три этапа показаны на рисунке ниже и могут быть обобщены следующим образом:

• Первичное управление частотой запускается автоматически, без вмешательства человека, сразу после события пониженной частоты. Генераторы, оснащенные частотными датчиками, автоматически регулируют свою мощность.
• Вторичное регулирование частоты срабатывает в течение десятков секунд, также автоматически, если событие пониженной частоты не устраняется само по себе.Вторичное регулирование частоты иногда называют автоматическим управлением генерацией (АРУ).
• Третичное управление частотой запускается в течение нескольких минут, если событие пониженной частоты не устраняется само по себе с помощью первичных или вторичных механизмов управления частотой. Третичное управление частотой обычно предполагает, что оператор энергосистемы вручную регулирует диспетчеризацию некоторых электростанций.

Рисунок 9.4: Внезапное падение частоты системы вызывает автоматическую реакцию для корректировки частоты, за которой следует ручное вмешательство операторов энергосистемы.Вспомогательные службы предоставляют эти ответы.

Щелкните здесь для подробного описания фигуры

.

На схеме показаны две картинки:

• Первый — это график, показывающий резкое падение частоты на графике. Частота находится на оси y, а время — на оси x. На графике частота падает до 59,90 Гц между 0 и 8 секундами. Это называется периодом задержания. Между 8 и 21 секундой происходит период отскока, когда система поднимается примерно до 59.94 Гц на графике. Через 21 секунду система находится в периоде восстановления. Системная частота начинает постепенно увеличиваться с 59,94 Гц через 30 секунд, но требуется около десяти минут после первоначального падения, чтобы вернуться к начальной частоте 60 Гц.

• Второй — это график с мощностью по оси Y и временем по оси X, показывающий, какие элементы управления используются при падении мощности. Первичная регулировка частоты происходит сразу же, примерно через 10 минут, и потребляет мощность по колоколообразной кривой.Первичное управление частотой — это реакция регулятора и реакция на спрос в зависимости от частоты. Затем включается вторичный регулятор частоты. Он начинается примерно через 10 секунд, но не начинает потреблять много энергии примерно до 30 секунд. Затем мощность увеличивается примерно до 10 минут, после чего начинает снижаться. Secondary Frequency Control – это генераторы на автоматическом управлении выработкой. Окончательный контроль — это третичный контроль частоты, мощность которого постепенно увеличивается через десять минут и выравнивается при произвольной мощности примерно через 25 минут.Третичное управление частотой осуществляется генераторами через операторскую диспетчерскую.

Источник: Джо Это, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

Услуга, которую мы называем «регулированием частоты», обычно запускается через несколько минут после события отклонения частоты, после того как сработало вторичное регулирование частоты. операторам через процесс аукциона заранее, аналогичный рынку энергии на сутки вперед и в режиме реального времени.Оператор рынка (например, PJM) объявляет, какая мощность необходима для регулирования частоты, а производители подают предложения, чтобы иметь возможность обеспечить это регулирование частоты. Это устанавливает отдельную цену за регулирование частоты.

На большинстве рынков электроэнергии предложение регулирования частоты оператору сети означает, что производитель готов увеличить или уменьшить выходную мощность (известную как «регулирование вверх» и «регулирование вниз») на некоторую величину. (Рынок ERCOT в Техасе работает немного по-другому, где есть отдельные рынки для повышающего и понижающего регулирования.) Это означает, что генератор одновременно снимает мощность с рынка энергии на сутки вперед/в режиме реального времени и обязуется производить некоторое количество электроэнергии. Например, допустим, что генератор мощностью 100 МВт предложил на регулируемый рынок 5 МВт мощности. Это означает, что генератор готов снизить мощность на 5 МВт, если это необходимо, и увеличить мощность на 5 МВт, если это необходимо. Таким образом, производитель не мог предложить более 95 МВт своей мощности на рынке электроэнергии на сутки вперед/в режиме реального времени, и ему нужно было убедиться, что на рынке энергии на сутки вперед/в режиме реального времени реализовано не менее 5 МВт.

Плата за регулирование состоит из двух компонентов. Во-первых, производителям платят за мощность, которую они выделяют для обеспечения регулирования. Это иногда называется ценой «мощности» и принимает единицы $ за МВт мощности. Во-вторых, когда генератор вызывается для увеличения или уменьшения мощности в ответ на событие отклонения частоты, ему платят за произведенную или не произведенную энергию. Это иногда называют платежом за производительность, и он часто устанавливается равным цене энергии в реальном времени (поэтому принимает единицы в долларах за МВтч).

Для примера возьмем наш тот же генератор, дающий 5 МВт регулирования. Цена регулируемой мощности составляет $5 за МВт. Генератор предназначен для производства 50 МВтч энергии через рынок в реальном времени по цене 10 долларов за МВтч. Из-за события отклонения частоты генератору предлагается произвести дополнительные 2 МВт мощности в течение 10 минут. Общий доход генератора за этот час составит:

• Доходы рынка электроэнергии: 50 МВтч * 10 долл. США/МВтч = 500 долл. США
• Регулируемая мощность: 5 МВт * 5 долл. США/МВт = 25 долл. США
• Производительность регулирования: 2 МВт * (1/6 часа) * 10 долл. США/МВтч = 3 долл. США.33
• Общий доход: $528,33

Введение в электрические и магнитные поля промышленной частоты.

Перспектива охраны окружающей среды. 1993 декабрь; 101 (Приложение 4): 73–81.

Исследовательская статья

EM Factors, Richland, WA 99352.

Эта статья цитировалась в других статьях PMC.

Abstract

Эта статья знакомит читателя с электрическими и магнитными полями, особенно с полями, создаваемыми системами электроснабжения и другими источниками, использующими частоты промышленного диапазона.Электрические поля создаются электрическими зарядами; магнитное поле также создается, если эти заряды находятся в движении. Электрические поля воздействуют на другие заряды; в движении эти заряды будут испытывать магнитные силы. Электрические и магнитные поля промышленной частоты индуцируют электрические токи в проводящих телах, таких как живые организмы. Вектор плотности тока используется для описания распределения тока внутри тела. Поверхность человеческого тела является отличным экраном для электрических полей промышленной частоты, но магнитные поля промышленной частоты проникают без значительного ослабления; электрические поля, создаваемые внутри тела при любом воздействии, сравнимы по величине.Электрические поля, создаваемые внутри человека большинством электрических и магнитных полей окружающей среды, кажутся небольшими по величине по сравнению с уровнями, естественным образом встречающимися в живых тканях. Обнаружение таких полей, таким образом, казалось бы, требует существования неизвестных биологических механизмов. Полная характеристика поля промышленной частоты требует измерения амплитуд и электрических фаз основных и гармонических амплитуд трех его векторных составляющих. Большинство доступных приборов измеряют лишь небольшое подмножество или некоторое средневзвешенное значение этих величин.Ручные геодезические измерители широко используются для измерения электрических и магнитных полей промышленной частоты. Совсем недавно стали использоваться автоматизированные системы сбора данных для регистрации электрических и магнитных полей в период от нескольких часов до нескольких дней в жилых и других помещениях. доступна в виде отсканированной копии оригинальной печатной версии. Получите копию для печати (файл PDF) полной статьи (1.8M) или нажмите на изображение страницы ниже, чтобы просмотреть страницу за страницей. Ссылки на PubMed также доступны для Selected References .

Избранные ссылки

Эти ссылки находятся в PubMed. Возможно, это не полный список литературы из этой статьи.

• КЕЙ CF, SCHWAN HP. Удельное сопротивление тканей организма. Цирк Рез. 1956 г., ноябрь; 4 (6): 664–670. [PubMed] [Google Scholar]
• Геддес Л.А., Бейкер Л.Е. Удельное сопротивление биологического материала — сборник данных для инженера-биомедика и физиолога.Мед Биол Инж. 1967 г., май; 5 (3): 271–293. [PubMed] [Google Scholar]
• SCHWAN HP. Электрические свойства тканей и клеточных суспензий. Adv Biol Med Phys. 1957; 5: 147–209. [PubMed] [Google Scholar]
• Кауне В.Т., Стивенс Р.Г., Каллахан Н.Дж., Северсон Р.К., Томас Д.Б. Жилые магнитные и электрические поля. Биоэлектромагнетизм. 1987;8(4):315–335. [PubMed] [Google Scholar]
• Kaune WT, Gillis MF. Общие свойства взаимодействия животных с электрическими полями КНЧ. Биоэлектромагнетизм.1981;2(1):1–11. [PubMed] [Google Scholar]
• Kaune WT, Phillips RD, Hjeresen DL, Richardson RL, Beamer JL. Метод воздействия на миниатюрных свиней вертикальными электрическими полями частотой 60 Гц. IEEE Trans Biomed Eng. 1978 г., май; 25 (3): 276–283. [PubMed] [Google Scholar]
• Stern S, Laties VG. Электрические поля частотой 60 Гц: обнаружение самками крыс. Биоэлектромагнетизм. 1985;6(1):99–103. [PubMed] [Google Scholar]
• Sagan PM, Stell ME, Bryan GK, Adey WR. Обнаружение 60-герцовых вертикальных электрических полей у крыс.Биоэлектромагнетизм. 1987;8(3):303–313. [PubMed] [Google Scholar]
• Weigel RJ, Jaffe RA, Lundstrom DL, Forsythe WC, Anderson LE. Стимуляция кожных механорецепторов электрическими полями частотой 60 Гц. Биоэлектромагнетизм. 1987;8(4):337–350. [PubMed] [Google Scholar]
• Schwan HP. Взаимодействие поля с биологическим веществом. Энн Н.Ю. Академия наук. 1977 г., 30 декабря; 303: 198–216. [PubMed] [Google Scholar]
• Bernhardt J. Прямое влияние электромагнитных полей на нервные и мышечные клетки человека в диапазоне частот от 1 Гц до 30 МГц.Radiat Environ Biophys. 1979;16(4):309–323. [PubMed] [Google Scholar]
• Kaune WT, Phillips RD. Сравнение взаимодействия заземленных людей, свиней и крыс с вертикальными электрическими полями частотой 60 Гц. Биоэлектромагнетизм. 1980;1(2):117–129. [PubMed] [Google Scholar]
• Kaune WT, Forsythe WC. Плотность тока, измеренная на моделях человека, подвергшихся воздействию электрических полей частотой 60 Гц. Биоэлектромагнетизм. 1985;6(1):13–32. [PubMed] [Google Scholar]
• Weaver JC, Astumian RD. Реакция живых клеток на очень слабые электрические поля: предел теплового шума.Наука. 1990 г., 26 января; 247 (4941): 459–462. [PubMed] [Google Scholar]
• Adair RK. Ограничения биологического действия слабых электромагнитных полей крайне низкой частоты. Phys Rev A. 1991, 15 января; 43 (2): 1039–1048. [PubMed] [Google Scholar]
• Дельпиццо В. Модель для оценки личного воздействия магнитных полей сверхнизких частот от обычных бытовых источников. Биоэлектромагнетизм. 1990;11(2):139–147. [PubMed] [Google Scholar]
• Budinger TF, Lauterbur PC. Технология ядерного магнитного резонанса для медицинских исследований.Наука. 1984 г., 19 октября; 226 (4672): 288–298. [PubMed] [Google Scholar]
• Gaffey CT, Tenforde TS. Изменения электрокардиограммы крыс, вызванные стационарными магнитными полями. Биоэлектромагнетизм. 1981;2(4):357–370. [PubMed] [Google Scholar]

Статьи из журнала Environmental Health Perspectives предоставлены National Institute of Environmental Health Sciences

Коммуникации по линиям электропередач и радиочастотные коммуникации

25 сентября 2018 г. 9 один из вопросов, который мы регулярно получаем в CIMCON Lighting, заключается в том, можно ли эффективно использовать связь по линиям электропередач (ПЛК) для управления уличным освещением.Ответ «может быть».

ПЛК

работает, накладывая сигнал связи непосредственно на линии электропередач. PLC добился успеха в нескольких нишах. Многие люди (включая меня) используют его для раздачи интернета по всему дому, обеспечивая скорость проводного интернета везде, где это необходимо. Я подключаю беспроводной маршрутизатор в каждом месте установки ПЛК для обеспечения хорошего покрытия Wi-Fi во всем доме.

Коммунальные предприятия используют ПЛК для междугородной связи, отправляя данные для мониторинга и управления потоком энергии в режиме реального времени.

Эти два приложения очень разные, но у них есть общая ключевая характеристика, которая позволяет ПЛК быть особенно успешным в обоих сценариях. Этот ключ представляет собой медную проволоку от конца до конца; между взаимодействующими конечными точками нет устройств, которые могли бы ослабить сигнал. Домашние системы ПЛК предупреждают об использовании их в розетках с защитой от перенапряжения и вместо этого рекомендуют подключать их непосредственно к стенной розетке. Коммунальные предприятия используют ПЛК на больших расстояниях, но оба конца линии связи контролируются коммунальными предприятиями без каких-либо промежуточных устройств.

Сигналы ПЛК, как правило, не проходят через какое-либо активное электрическое оборудование, такое как трансформаторы или устройства стабилизации питания; вместо этого они фильтруются или искажаются до бесполезности. Поэтому при любой установке ПЛК важно быть уверенным, что связь будет осуществляться по непрерывным и непрерывным силовым проводам.

Связь с ПЛК также зависит от помех, создаваемых линиями электропередач; двигатели имеют тенденцию быть особенно злостными преступниками. В большинстве случаев такого рода помехи носят временный характер, но если они повторяются часто, они все равно могут быть проблемой.Этот шум является неизбежным результатом использования линий электропередач не по назначению. Каждое устройство, подключаемое к сети, имеет какую-то защиту от того, что может попасть по проводу; всплески, всплески и провалы являются обычным явлением, и с ними необходимо бороться. Проводники прочны, но не защищены от шума, поэтому шум может возникать в любом месте по длине проводника.

Что это означает для управления парком уличных фонарей? Это означает, что обследование сайта необходимо.Во многих случаях группы уличных фонарей в районе действительно имеют общую линию электропередач, и эти фонари могут связываться друг с другом или со шлюзами, ведущими к системам диспетчерского управления. Но этот подход обычно приводит к островкам подключенных уличных фонарей, при этом каждому острову требуется «аварийный шлюз», чтобы обойти оборудование для ослабления ПЛК в полевых условиях. Каждому шлюзу требуется подключение к Интернету в месте его расположения; такое расположение может быть неудобным.

ПЛК

считается желательным, поскольку он опирается на существующую инфраструктуру, но по мере увеличения географического охвата системы будет включаться больше оборудования, искажающего сигнал, и потребуется дополнительная инфраструктура для обхода точек помех. Без подробного обследования площадки раннее успешное развертывание может привести к появлению большого количества коммуникационных островков, поскольку подход не работает в требуемом масштабе.

Радиоуправление парком уличных фонарей преодолевает эти ограничения, но создает и свои проблемы. Радиоподходы делятся на две категории: маломощные глобальные сети (LPWAN) и ячеистые сети. Каждый из этих двух подходов также имеет разные вкусы от разных поставщиков. Типичным примером появления LPWAN на рынке умных городов является LoRAWAN, тогда как Zigbee лучше всего иллюстрирует ячеистый подход.И LPWAN, и ячеистая сеть требуют шлюза для передачи данных между парком и Интернетом.

Сеть

Mesh имеет ряд значительных преимуществ как по сравнению с ПЛК, так и по сравнению с LPWAN. Ячеистая сеть обходит оборудование, которое вносит шум в подсистемы ПЛК. LPWAN — это точка-многоточка, обеспечивающая единую точку отказа и отсутствие альтернативных путей связи вокруг препятствий.

Все подходы к радиосвязи подвержены помехам, точно так же, как PLC подвержен искажению сигнала трансформаторами, искажающими сигнал. Но исправить это намного проще с сеткой; вместо другого шлюза LPWAN или PLC и подключения к Интернету (которое должно быть расположено в точке затруднения) достаточно добавить дополнительные узлы сетки, чтобы преодолеть разрыв. При развертывании ячеистой сети уличного освещения плотность, как правило, достаточно высока, чтобы было мало пробелов, часто вызванных стратегически неуместными зданиями. Для коммунальных предприятий, использующих удаленные устройства учета в домах и на предприятиях, существующая сеть удаленных счетчиков может использоваться для соединения секций сетки уличного освещения.Там, где это невозможно или нежелательно, достаточно разместить недорогие ячеистые узлы связи в близлежащих зданиях или электрошкафах.

В развертывании LPWAN, если требуется больше шлюзов, существует больше гибкости в размещении, чем при использовании ПЛК, но по-прежнему требуется подключение к Интернету, и по-прежнему существует единая точка отказа. Существуют методы улучшения этой характеристики; по сути, они превращают LPWAN в дорогостоящую сетку.

Сеть

Mesh также требует гораздо менее требовательного обследования площадки.Пробелы в радиопокрытии часто не нужно прогнозировать заранее, чтобы избежать дорогостоящих исправлений. Обычно достаточно обеспечить разумное покрытие сетки, а во время тестирования развертывания устранить несколько появляющихся пробелов. Результатом является гораздо менее дорогостоящее развертывание.

Наконец, рассмотрим альтернативные издержки одноцелевой сети по сравнению с многоцелевой сетью. Если вам нужно только управлять уличным освещением, может подойти специализированная сеть. Но в ближнем небе появляется множество приложений, таких как мониторинг качества воздуха, подсчет автомобилей и людей, обнаружение опасностей и подключенные транспортные средства.Эти приложения нельзя внедрить в систему ПЛК, что увеличивает стоимость последующего предоставления этих услуг.

Преобразование частоты генератора: 60 ​​Гц и 50 Гц Используемая мощность генератора

Скорость и частота генератора пропорциональны

Выходная частота генератора является одним из важных параметров, определяющих мощность генератора. Выходная электрическая мощность генератора должна поддерживаться на фиксированной частоте 50 Гц или 60 Гц, чтобы соответствовать выходной мощности стандартной электрической сети или номинальной частоте ваших приборов.

Частота обычно составляет 60 Гц в США и 50 Гц в Европе. Вы также можете столкнуться с различными изолированными участками одной и той же сети, работающими на разных частотах. Затем становится необходимым изменить выходную частоту генератора, чтобы она соответствовала частоте питаемых приборов или сети, к которой подключен ваш генератор.

Изменение частоты вращения двигателя для изменения выходной частоты

Современные генераторы состоят из двигателя, напрямую подключенного к генератору переменного тока для производства электроэнергии.Одним из наиболее распространенных способов изменения выходной частоты генератора является изменение скорости вращения двигателя.

Два коэффициента соотносятся по следующей формуле – Частота генератора (f) = число оборотов двигателя в минуту (Н) * количество магнитных полюсов (P) / 120 И наоборот, P = 120*f/N

Согласно приведенной выше формуле, двухполюсный генератор с выходной частотой 60 Гц имеет частоту вращения двигателя 3600 об/мин. Чтобы изменить выходную частоту на 50 Гц для той же конфигурации генератора, скорость двигателя необходимо уменьшить до 3000 об/мин.Точно так же для 4-полюсного генератора частота вращения двигателя 1800 об/мин дает выходную мощность 60 Гц. Снижение частоты вращения двигателя до 1500 об/мин дает выходную мощность 50 Гц.

В случае небольших или бытовых генераторов вы можете изменить настройки оборотов двигателя, внеся несколько изменений на панели управления вашего устройства. Следуйте приведенным ниже инструкциям, чтобы изменить частоту генератора с 60 Гц на 50 Гц:

1. Запустите двигатель генератора и настройте частотомер на панели управления на частоту 50 Гц
2. Проверьте вольтметр или потенциометр переменного тока, в зависимости от обстоятельств, и считайте выходное напряжение генератора.Выходное напряжение уменьшается по мере уменьшения частоты и может быть ниже желаемого значения
3. Отрегулируйте вольтметр переменного тока или потенциометр на панели управления, пока не получите желаемое выходное напряжение при 50 Гц
4. Внеся аналогичные изменения в панель управления, можно увеличить частоту с 50 Гц до 60 Гц
5.  Если на панели управления не отображается частота, необходимо сначала подключить устройство, которое будет измерять частоту при работающем генераторе, а затем изменять обороты двигателя.
   Контроллеры генераторов осуществляют мониторинг и управление вашей установкой в ​​режиме реального времени. Встроенные защитные функции автоматически отключают генератор в случае превышения оборотов двигателя или очень низкой выходной частоты. Для получения дополнительной информации о функциональности генератора, пожалуйста, прочитайте следующую статью, Как работают генераторы..

Преобразователи частоты

Если вы используете генератор с фиксированной скоростью, вы можете подключить к своему устройству преобразователь частоты.Преобразователь частоты представляет собой комбинацию выпрямителя и инвертора. Выпрямитель использует выход переменного тока (AC) генератора для получения постоянного тока (DC). Затем инвертор преобразует это для получения выходного переменного тока желаемой частоты. Любое сопровождающее изменение напряжения не зависит от назначения блока, а также зависит от области применения, для которой используется преобразователь частоты.

Традиционно преобразователи частоты, такие как роторные преобразователи и мотор-генераторные установки, изготавливались из электромеханических компонентов.С появлением твердотельной электроники они стали полностью электронными.

Помимо изменения выходной частоты, эти устройства также используются для управления крутящим моментом и скоростью двигателей переменного тока. Преобразователи частоты также находят применение в аэрокосмической промышленности для преобразования частоты 50 или 60 Гц в выходную частоту 400 Гц, которая используется в наземных силовых установках самолетов. Эти системы также используются для управления скоростью вращения вентиляторов и насосов, а также других нагрузок с переменным крутящим моментом, работающих на переменной скорости.

Генераторные установки с электронной регулировкой скорости

Существует особый класс генераторов, известных как генераторы с электронной переменной скоростью, в которых изменение скорости двигателя изменяет скорость генератора переменного тока, чтобы автоматически производить выходную мощность с переменной частотой. Затем преобразователь частоты используется для выпрямления меняющейся выходной мощности генератора, чтобы соответствовать требуемой выходной частоте 50 Гц или 60 Гц.

Использование этого устройства устраняет необходимость в приводе с регулируемой скоростью и трансформаторе.Недостатком этой технологии является то, что электронный компонент, помимо дороговизны, не подходит для использования в суровых условиях, в которых обычно работает генератор.

Важно отметить, что они отличаются от генераторов с переменной скоростью, которые имеют бесступенчатую трансмиссию (CVT), которая позволяет изменять скорость вращения двигателя, но поддерживает постоянную скорость генератора переменного тока. Это не изменяет выходную частоту, но позволяет генератору изменять выходную мощность генератора в соответствии с требованиями переменной нагрузки.

>>Вернуться к статьям и информации<<

Разница между частотой 50 Гц и 60 Гц

50 Гц против 60 Гц при рабочей скорости

Основная разница между 50 Гц (Герц) и 60 Гц (Герц) в том, что 60 Гц на 20% выше по частоте. Для генератора или насоса с асинхронным двигателем (просто говоря) это означает 1500/3000 об/мин или 1800/3600 об/мин (для 60 Гц). Ниже частоты будут потери в железе и потери на вихревые токи. Уменьшите частоту, скорость асинхронного двигателя и генератора будет ниже.Например, при 50 Гц генератор будет работать со скоростью 3000 об/мин против 3600 об/мин при 60 Гц. Механические центробежные силы будут на 20% выше при частоте 60 Гц (стопорное кольцо обмотки ротора должно воспринимать центробежную силу при проектировании). Но при более высокой частоте мощность генератора и асинхронных двигателей будет выше для двигателя/генератора одинакового размера из-за увеличения скорости на 20%.

50 Гц против 60 Гц при эффективности

Конструкция таких магнитных машин такова, что они действительно то одно, то другое.Это может работать в некоторых случаях, но не всегда, и переключение между различными частотами источника питания, безусловно, повлияет на эффективность и может означать необходимость снижения номинальных характеристик. Существует небольшая реальная разница между системами 50 Гц и 60 Гц, если оборудование спроектировано соответствующим образом для этой частоты. Важнее иметь стандарт и придерживаться его.

Более существенная разница заключается в том, что системы с частотой 60 Гц обычно используют 110 В (120 В) или около того для бытового электроснабжения, а системы с частотой 50 Гц, как правило, используют 220 В, 230 В и т. д.для разных стран. Это приводит к тому, что домашняя проводка должна иметь поперечное сечение в два раза больше для системы 110 В для той же мощности. Однако считается, что оптимальная система составляет около 230 В (требуемый размер провода и мощность в сравнении с безопасностью). В большей части США система электропитания 110 В работает в тандеме с системой США 240 В, которая обеспечивает более мощные приборы, такие как плиты и сушилки для белья, а 110 В — настенные розетки и освещение. Вряд ли проблема техники в настоящее время.

60 Гц лучше, чем 50 Гц?
Между 50 Гц и 60 Гц нет большой разницы, в принципе нет ничего плохого или хорошего. Для независимого энергетического оборудования, такого как корабли, самолеты или изолированные зоны, такие как газовые/масляные установки, может быть разработана любая частота (например, 400 Гц) в зависимости от пригодности. С общей точки зрения, мы не можем сказать, что 50 Гц лучше 60 Гц или нет, разницы нет. Основная проблема заключается в том, что существует два стандарта электропитания. Это означает, что для соединений между системами передачи, работающими на разных частотах, требуются соединения постоянного тока между ними или просто использование преобразователя частоты для изменения частоты с 60 Гц на 50 Гц.

Статья по теме: Влияние двигателя 60 Гц (50 Гц) на источник питания 50 Гц (60 Гц)

.