- лампы накаливания;

- ртутные газоразрядные лампы ДРЛ;

- натриевые газоразрядные лампы ДНаТ;

- светодиодные лампы;

и т.д.

Лампы накаливания считаются устаревшими и неэффективными с точки зрения потребления энергии. Однако до сих пор применяются.

Различные лампы применяются при различных ситуациях. Для уличного освещения чаще всего применяют ртутные газоразрядные лампы и натриевые газоразрядные лампы [4].

Сегодня быстро развивается технология светодиодных ламп. Потребляемый ток таких ламп меньше, освещенность больше [2]. В данной статье рассмотрим лампы с другой точки зрения, а именно, как они влияют на качество электрической энергии.

Авторами были проведены замеры показателей качества электрической энергии, при работе каждой лампы отдельно. Напряжение “питания” при этом было синусоидальным. Гистограммы гармоник тока и форма тока для нескольких типов лампы представлены на рисунках 1-8.

Рисунок 1. Ток, потребляемый светодиодным светильником

Рисунок 2. Гистограмма гармоник тока светодиодного светильника

Рисунок 3. Ток, потребляемый лампой накаливания

Рисунок 4. Гистограмма гармоник тока лампы накаливания

Рисунок 5. Ток, потребляемый ДРЛ

Рисунок 6. Гистограмма гармоник тока ДРЛ

Рисунок 7. Ток, потребляемый ДНаТ

Рисунок 8. Гистограмма гармоник тока ДНаТ

Проведенные исследования позволяют посмотреть на электрические источники света не только с привычных точек зрения (Энергоэффективность, срок службы, цена, на производстве проблемы с утилизацией и т.д. ), а и с точки зрения показателей качества от каждого включенного источника света в отдельности.

Анализ полученных кривых тока показывает, что наибольшее значение высших гармоник наблюдается при использовании светодиодных светильников. Причем присутствуют только нечетные гармоники. В процентном соотношении, приняв за 100% ток первой гармоники, величины тока высших гармоник принимают значение: 3 – 90%; 5 – 65%; 7 – 50%: 9 – 35%; 11,13 – 20%; 15,17 – 10%; 19,21-31 – 5%. В меньшей степени высшие гармоники генерируются натриевыми газоразрядными лампами 3 – 20%; 5 – 2,5%; 7 – 15%: 9,11 – 2,5%;. С точки зрения наличия высших гармоник наиболее рациональными являются лампы накаливания и ДРЛ.

Таким образом, на основании полученных результатов исследования можно сделать следующие выводы:

- ряд светильников по мере уменьшения доли высших гармоник в токе можно выстроить следующим образом: светодиодные лампы; ДНаТ; ДРЛ; лампы накаливания;

- при наличии мягкой электрической сети применение светодиодных ламп и ДНаТ может вызвать недопустимую несинусоидальность в питающем напряжении за счет падения напряжения в сети от высших гармоник тока.

1) снижение номинальной напряжения потребителям в результате потери напряжения в сети;

2) в результате существования специальных потребителей (дросселей или трансформаторов в режиме насыщения, полупроводников и других несимметричных элементов) возникает несимметрия и несинусоидальность напряжения;

3) превышение величины потребляемой мощности из-за неправильной организации эксплуатации.

Увеличение или уменьшение номинального напряжения отрицательно сказывается на работе асинхронных двигателей и осветительных приборов. Снижение напряжения снижает крутящий момент двигателя и приводит к увеличению расхода электроэнергии. Снижение напряжения на 1% по сравнению с номинальным снижает световой поток ламп накаливания на 3-4%, люминесцентных ламп на 1,5% и ламп типа ДРЛ на 2,2%. Увеличение напряжения до 10% снижает срок службы ламп в 3 раза. Снижение напряжения по отношению к номиналу увеличивает срок службы ламп, но, следовательно, приводит к резкому снижению их освещенности. Газоразрядные и люминесцентные лампы не излучают свет, когда напряжение уменьшается на 20%.
Изменение напряжения также отрицательно сказывается на работе конденсаторных батарей. Снижение напряжения сети до 10% снижает реактивную мощность конденсатора до 81%. Увеличение напряжения до 10% приводит к перегрузке конденсатора, так как его реактивная мощность увеличивается до 121%.
Для нормального функционирования электрических потребителей отклонение напряжения от номинального не должно превышать следующих величин: – 5% + 10% для электродвигателей и аппаратов; – 2,5% + 5% для электродвигателей; ± 5% для остальных электропотребителей.
Наиболее широкое применение в системах электроснабжения нашли трехфазные электрические сети (ЭС). Однако при несимметрии трехфазной системы напряжений появляются напряжения обратной и нулевой последовательностей. Это приводит к изменениям значений фазных и междуфазных напряжений, смещения нейтрали трехфазной системы. Как следствие, растут потери активной мощности, ускоряется старение изоляции, возникают опасные вибрации из-за знакопеременных вращающих моментов, увеличиваются пульсации выпрямленного напряжения, возрастает вероятность ошибок релейной защиты и погрешность электросчетчиков и т.д. [1].
В результате несимметричного напряжения на синхронных и асинхронных двигателях образуется дополнительное нагревание и противоположный момент.
Несимметричность напряжения оценивается по значению коэффициента симметричности. Значения коэффициентов несимметрии напряжений определяются по формулам [2]:

 (1)
 (2)

где U₂ — напряжение обратной последовательности; U₀ — напряжение нулевой последовательности; U₁ — напряжение прямой последовательности.
Трехфазные несимметричные нагрузки могут быть выровнены с помощью реактивных источников питания..

Рис.1. Схема выравнивания несимметричности с помощью конденсаторных батарей

В трехфазных сетях существует несколько способов и средств определения несимметричности. При управлении конденсаторными батареями и определении несимметричности трехфазной сети целесообразно использовать электромагнитных преобразователей тока в напряжение с плоскими измерительными обмотками(ЭМПТН с ПИО) [3,4].
Результаты исследований показали, что ЭМПТН с ПИО обеспечивает выполнение всех условий и требований, чтобы измерять показатели качества электроэнергии в управлении мощностью компенсирующего устройства.

Эксперимент. Автобалластные системы стабилизации автономных микроГЭС дают основание о возможности применения их при построении микроГЭС с асинхронными генераторами. Возможны два основных варианта построения автономных электростанций на основе автобалластных систем стабилизации. Обеспечить устойчивый режим работы микроГЭС с асинхронными генераторами при таком построении достаточно сложно. Отличия мощностей балластных нагрузок, коэффициентов усиления, постоянных времени и других параметров гидроагрегатов и стабилизирующих систем приводят к изменениям суммарной нагрузки микроГЭС в широких пределах. [2]

Применение в микроГЭС асинхронных генераторов с ёмкостным возбуждением ограничивают возможности по регулированию возбуждения. При этом величина напряжения напрямую зависит от диапазона изменения эквивалентной нагрузки станции. Простейшим в конструктивном отношении генератором является самовозбуждающийся асинхронный генератор. Он представляет собой трёхфазную асинхронную машину с короткозамкнутым ротором и подключёнными параллельно к её статорным обмоткам конденсаторов. Особенностью асинхронного генератора является то, что для его работы требуется реактивная мощность, что усложняет и удорожает всю систему. Но асинхронный генератор со статорным самовозбуждением имеет ряд положительных свойств: простотой, дешевизной, надёжностью, бесконтактностью характерных для машин с короткозамкнутым ротором. Возбуждение осуществляется с помощью конденсаторов, подключённых параллельно статорным обмоткам. [3]

Конденсаторы возбуждения у асинхронного генератора выполняют роль фильтров, отсекающих высшие гармоники выходного напряжения, что способствует исчезновению биений напряжений и длительных переходных процессов и позволяет получить идеальное синусоидальное выходное напряжение АГ. Наличие короткозамкнутого ротора у асинхронного генератора положительно сказывается на качестве электроэнергии при несимметричных нагрузках. Асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором практически не греется, поэтому его корпус закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. Асинхронные генераторы обладают более высокой надёжностью и простотой конструкции, стоимость асинхронных машин в 1,5 – 2 раза меньше синхронных, вес – в 11,3 – 1,4 раза меньше, что позволяет возможность широкого применения их в микроГЭС.

Рис.1. Электрическая схема микроГЭС:
АГ – асинхронный генератор; ГТ – гидротурбина; с – конденсаторные батареи; РБН – регулятор балластной нагрузки; R_б – балластная нагрузка.

Исследование различных режимов работы оборудования при различных характеристиках генератора возможно с помощью компьютерной модели микроГЭС и электрической схемы представленной на рис.1.

Рис.2. Компьютерная модель микроГЭС с асинхронным генератором.

Компьютерная модель микроГЭС (рис.2) содержит следующие элементы: автобалластную нагрузку (ABN), блок нагрузки и конденсаторов возбуждения (RCN), асинхронный генератор (AG) и гидротурбину (GT).

Результаты исследования качества электроэнергии показывают, что при автобалластном регулировании нагрузки отклонение напряжения не превышает 4,5%, а частоты 1,8 Гц (рис. 3, рис. 4). При отсутствии нагрузки частота и напряжение равны номинальным значениям.

Рис.3. Отклонение линейного напряжения U_л от номинального в зависимости от мощности нагрузки

Рис.4. Отклонение частоты генератора f от номинального в зависимости от мощности нагрузки

Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на отклонение величины и характера эквивалентной нагрузки от номинальных значений напряжения и частоты генерируемой электроэнергии, является величина балластного сопротивления. [4]

Наиболее характерными для оценки качества регулирования параметров микроГЭС является режим холостого хода, когда станция работает только на R_б, и режимы близкие к 50% нагрузке. Величина балластного сопротивления выбирается из соображения равенства активной мощности в номинальном режиме и режиме холостого хода.

Выводы. Переменная величина полезной активно-индуктивной нагрузки вызывает изменение коэффициента мощности эквивалентной нагрузки от cos φ_н = 0,8 до cos φ_б = 1,0. Так как величина возбуждающих ёмкостей генераторов во всех режимах остаётся неизменной, токи генераторов в режиме холостого хода возрастают более чем на 20% по сравнению с номинальными. Для ограничения токовых перегрузок якорных обмоток генераторов, работающих на активно-индуктивную нагрузку, целесообразно уменьшать загрузку машин в номинальном режиме на 15-20%, такая величина балластного сопротивления должна выбираться на 20-25% больше номинального сопротивления полезной нагрузки. [4]

Анализ режимов работы станций с асинхронными генераторами позволяют сделать следующие выводы:

• Распределение нагрузки между генераторами электростанций зависит от значений коэффициентов саморегулирования приводных гидротурбин и диапазона изменения эквивалентной нагрузки станций;
• Погрешность стабилизации напряжения асинхронных генераторов определяется отклонением эквивалентной нагрузки от номинальных значений.