Отдел силовой
электроники
+7 (495) 792-57-57
Напишите нам

Гармоники в приводах и инновационные решения

см. также:

Грегерс Гейледжер (Gregers Geilager) рассматривает привод с низкими гармониками, который включает в себя фильтр и привод в виде решения «все в одном корпусе».

Любая повторяющаяся или периодическая кривая может быть разложена на фундаментальную синусоидальную функцию плюс ряд меньших синусных кривых более высоких частот, называемых гармониками. Ступенчатая кривая, например, может быть разложена на фундаментальную частоту f плюс гармоника в 1/5 амплитуды на пятикратной частоте плюс другая в 1/7 частоты на семикратной частоте и так далее до бесконечности.

Однако не существует четных гармоник или любых, делящихся на три (гармоник кратных трем). Разложение такой кривой называется анализом Фурье в честь французского математика и физика Джозефа Фурье. Анализ ступенчатой кривой дает f + 1/5f5 + 1/7f7 + 1/11f11 + 1/13f13 и т.д. до бесконечности. Если кривая несимметрична относительно оси, это вызвано наличием компонента постоянного тока. Гармоники второго и третьего порядка отсутствуют.

Любое электрическое устройство, потребляющее нелинейный ток из сети электропитания создает в этой сети гармонические искажения напряжения большей или меньшей степени. Это происходит из-за того, что высокочастотные компоненты взаимодействуют с импедансом питания и создают искажения напряжения переменной амплитуды и частоты. Этот эффект проявляется меньше в сети питания с низким импедансом, в которой питание высокого напряжения от сети подается и преобразовывается до низкого напряжения локально. Однако этот эффект обостряется в системах с высоким импедансом, например, когда питание осуществляется по протяженной сети низкого напряжения.

Почему это так важно? Любое отклонение от питания с чистой синусоидой, на которое рассчитывается электрическое оборудование, приводит к ухудшению функционирования при наличии в сети питания гармонического компонента. Это особенно касается трансформаторов и кабелей, где возникают перегрев и потери мощности, создающие неэффективность и требующие переразмеривания для компенсации такого искажения. Поверхностные эффекты являются небольшими побочными эффектами и не критичны. Более вероятны преждевременное старение, нарушения синхронизации и в крайних случаях, неустойчивая работа. Таким образом, по ряду причин более «чистое» электропитание намного более желательно, чем «смешанное».

В промышленности признанным генератором гармонических токов, приводящих к искажению напряжения в сети электропитания, является оборудование управления, использующее тиристоры или диодные мосты входов. Эти искажения обычно называются «отраженными» гармониками. В частности, в эту категорию попадают приводы переменного и постоянного тока с переменными оборотами.

Электронные приводы постоянного и переменного тока используются уже многие годы, установлено их гармоническое влияние на систему электропитания, а отвечающие за электроснабжение управляющие организации составили руководства по допустимой мощности таких устройств, которые могут подключаться к «общей точке для нескольких подключений» в промышленных условиях. Если сеть электропитания завода представляла собой питание низкого напряжения (380/400/415 В) с высоким импедансом, то подключаемая гармоническая нагрузка должна быть более ограниченной, чем если бы электропитание осуществлялось от сети высокого напряжения с низким импедансом, просто потому, что сеть электропитания с низким импедансом может справляться с большинством гармоник тока. В соответствии с законом Ома, U = R x I (искажение напряжения = импеданс сети х суммарные гармоники тока нагрузки).

Анализ Фурье ступенчатой функции

Рис.1 Анализ Фурье ступенчатой функции.

Промышленность все больше использует приводы для применений всех типов, так что гармонические искажения в сетях электропитания становятся постоянно растущей неотложной проблемой. Новые правила, такие как EN61000-3-2 и EN61000-3-12, которые будут приняты в скором времени, обязывают уменьшать генерируемые гармоники, которые обычно соответствуют стандартным приводам VLT (с катушками постоянного тока). Выполнение правил, таких как IEEE519, G5/4 и EN61000-2-4, однако иногда приводит к более строгим ограничениям, чем те, которые возможны при использовании только стандартных приводов. Компания Danfoss предлагает ряд методов для уменьшения влияния гармоник приводов на сети электропитания.

Предлагается ряд решений для более крупных трехфазных приводов. Обычно стандартные приводы имеют 6-импульсный трехфазный вход, ведущий к генерированию главным образом 5, 7, 11, 13, 17, 19 гармоник убывающего значения. Следует отметить, что в 6-импульсной системе все гармоники имеют порядок h = 6p ± 1, где p – положительное целое число. Если бы необходимо было создать 12-импульсный привод, тогда это ограничило бы более крупные гармоники до 11 и 13 и исключило бы 23 и 25. Создание таких 12-импульсных систем влечет за собой создание нестандартных входов приводов с 12 коммутирующими элементами и питанием их от 6-фазной сети, получаемой от специального входного трансформатора со смещенными фазными обмотками. Компания Danfoss предлагает решения 12-импульсных (12p) приводов, в частности для более крупных приводов мощностью более 250 кВт.

Активный фильтр напряжения VLT

Рис.2 Активный фильтр напряжения VLT.

Более обычным решением для приводов меньших размеров является использование на входе привода фильтра гармоник. Блоки VLT AHF 005 и VLT AHF 010 производства компании Danfoss представляют собой передовые пассивные фильтры гармоник, которые несравнимы с традиционными фильтрами гармонических составляющих. Блок AHF 010 обеспечивает подавление вплоть до 10 процентов гармонического тока. Блок AHF005 может обеспечить подавление вплоть до 5 процентов (THiD).

Активные фильтры VLT используют гораздо более дальновидный подход к уменьшению гармонических составляющих. Зарекомендовавшая себя силовая электроника VLT восстанавливает оптимальное синусоидальное питание и коэффициент мощности, равный единице, за счет генерирования противофазных гармонических и реактивных токов. Такое модульное наращивание предлагает такие же характеристики, как и семейство High Power VLT производства компании Danfoss, включая высокую эффективность использования энергии, удобную для пользователя эксплуатацию, охлаждение через тыльный канал и высокие уровни защиты корпусов. Активные фильтры производства компании Danfoss могут компенсировать отдельные приводы VLT в виде компактного встраиваемого устройства или компактного отдельно стоящего устройства в общей точке подключений, компенсирующего одновременно несколько нагрузок.

Наконец, компания Danfoss предлагает привод с низкими гармониками, объединяющий в себе активный фильтр гармоник и стандартный привод в виде решения «все в одном корпусе». Такое решение аналогично активному фильтру, легко подбирается и уменьшает гармоники для удовлетворения самых жестких требований по гармоникам.