Ein Einsatzbeispiel des RLC-Programms zur Verbesserung der Spannungsqualität und der Minimierung von Verlusten der elektrischen Energie in einem Energieversorgungssystem

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11. Ein Einsatzbeispiel des RLC-Programms zur Verbesserung der Qualität und der Minimierung von Verlusten der elektrischen Energie in einem Energieversorgungssystem

Es sei ein Knoten des elektrischen Energieversorgungsnetzes vorhanden, mit folgendem vereinfachten Schaltbild:

Hierbei bedeuten: S - externes Stromversorgungssystem, L - Übertragungsleitung, T - Transformator, NL- nichtlineare Last, LL- lineare Last, KA - Kompensationsanlage. Angenommen es wurden in diesem Knoten Messungen der Spannungsqualität durchgeführt und anhand der Messergebnisse und anderer Informationen die Gesamtlast des Knotens in zwei Arten unterteilt, was in der Praxis fast immer machbar ist:

1. Nichtlineare Last (NL) - z. B. Verbraucher mit elektronischen Bauteilen(Stromrichter, Schaltnetzteile), Verbraucher mit nichtlinearer U/I-Kennlinie(Kleinmotoren, Transformatoren, Leuchtstofflampen, Lichtbogenöfen) oder Verbraucher mit nichtstationärem Betriebsverhalten (Schweißautomaten, Exzenterantriebe).
2. Lineare Last (LL) - Verbraucher, deren Strom annähernd die gleiche Form besitzt, wie der Basissinusstrom des Netzes, z. B. Motoren, elektrische Maschinen, Glühlampen.

Es sei außerdem festgestellt worden, dass die Spannungsqualität in diesem Knoten den geltenden Normen bezüglich der Sinusförmigkeit des Spannungsverlaufs nicht entspricht, und der Leistungsfaktor cos(f) zu niedrig (oder zu hoch) ist. Diese beiden Probleme lassen sich effektiv durch die Installation von Leistungskondensatoren zur Blindleistungskompensation lösen. Mit Hilfe des RLC-Programms kann man den Prozess der zuverlässigen Auswahl der Parameter des Kompensationssystems automatisieren.
Dazu muss zunächst ein Ersatzschaltbild des zu untersuchenden Systems erstellt werden, das in unserem Fall etwa so aussehen könnte:

Das externe Stromversorgungsnetz wird durch die Spannungsquelle S ersetzt, die Freileitung durch eine Längsimpedanz ZL mit zwei Erdungskondensatoren, der Transformator durch die Impedanz ZT. Die nichtlineare Last wird durch eine polyharmonische Stromquelle ersetzt, der die Messergebnisse des Experiments NONAME zugeordnet werden. Den linearen Teil der Last ersetzt die Impedanz ZN und die Blindleistungskompensationseinrichtung ist durch den Kondensator CB vertreten. Die richtige Erstellung des Ersatzschaltbildes ist ein sehr wichtiger Punkt. Ebenso wichtig ist auch die richtige Wahl und Eingabe der Parameter. Diese beiden Punkte werden in vielen Literaturquellen beschrieben, z. B. [1, 2].

Bei der Wahl der Parameter der Kompensationsanlage (des Kondensators CB) besteht die Gefahr der Stromüberlastung der Kondensatoren. Der Effektivwert des Stroms durch den Kondensator darf den normal zulässigen Wert höchstens um 40% Übersteigen. Besonders gefährlich sind die Stromüberlastungen, die aufgrund von möglichen Resonanzerscheinungen zwischen dem kapazitiven Widerstand des Blindleistungskompensationssystems und den induktiven Widerständen der Last und des Versorgungssystems entstehen. Zur Untersuchung des Resonanzverhaltens der Schaltung schließt man zwei große Pfeile an die beiden Anschlüsse des Kondensators an, und lässt dann eine Berechnung des Frequenzgangs durchführen. Dieser sieht bei den oben aufgeführten Parametern folgendermaßen aus :
.Wie man sieht, schneidet die blaue Kurve(der Blindwiderstand) im Bereich der 5. Oberschwingung (250Hz) die x-Achse(bzw. die f-Achse). Dort kann man die Resonanzfrequenz ablesen. Durch die Änderung der Kapazität des Kondensators kann man diese nach rechts oder nach links auf der Frequenzenskala in den Bereich verschieben, wo eine entsprechende Oberschwingung im Strom der nichtlinearen Last fehlt. Falls eine einfache Kapazitätsänderung nicht zum gewünschten Resultat führt, kann man in Reihe mit dem Kondensator noch zusätzlich eine Spule anschließen um den Strom durch den Kondensator zu begrenzen. Die Kontrolle des Stroms durch den Kondensator muss zumindest für die beiden Fälle der maximalen und der minimalen Belastung durchgeführt werden. Dazu müssen die Parameter der polyharmonischen Stromquelle variiert werden, um die entsprechenden Ausschnittsnummern einzustellen. Zur Kontrolle des Stroms und des Leistungsfaktors empfiehlt es sich, den Analysator zu benutzen. Damit das möglich ist, müssen entsprechend Meßpfeile an den gewünschten Stellen der Schaltung plaziert werden. Bitte Beachten Sie auch, dass nach der Durchführung von Berechnungen mit dem Button "Frequenz" eine Liste geöffnet werden kann, in der die Frequenzen aufgelistet sind, die von der polyharmonischen Quelle bereitgestellt werden und die Frequenz der Spannungsquelle des Versorgungssystems (50Hz). In dem Sie eine Frequenz aus dieser Liste auswählen, können Sie die Resultate der Berechnungen speziell für diese eine Frequenz kontrollieren.

, Durch den Button "Tabelle" kann man die Wirkleistungsverluste in allen Elementen der Ersatzschaltung kontrollieren, die über einen ohmschen Widerstand verfügen.
Falls Meßergebnisse von Strömen in drei Phasen vorhanden sind, kann man eine Dreiphasen-Ersatzschaltung des zu untersuchenden Energieversorgungsnetzes erstellen und die unsymmetrischen Zustände des Netzes sowohl bei der Basisfrequenz als auch bei den Frequenzen der Oberschwingungen untersuchen.

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