Вернуться к старому виду сайта
Задать вопрос

или свяжитесь с нами по телефону +7 (495) 792-57-57

Защита от автоматического заполнения Введите символы с картинки*

* - обязательные поля

Силовая электроника
+7 (495) 792-57-57

Гармонические искажения в линии питания переменного тока

Регулируемые преобразователи частоты стали стандартным методом управления для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning) благодаря точности управления и весьма существенной экономии энергии. Они годами использовались в промышленных установках для точного управления процессами.

Коммерческие системы HVAC часто существенно отличаются от производственных установок. В большинстве установок HVAC преобразователь частоты делит питание переменного тока с чувствительным электронным оборудованием, таким как компьютеры, телекоммуникационные сети, освещение и генераторов тактовых импульсов. Когда система HVAC применяется в аэропорту, больнице или в исследовательском центре, объем чувствительного оборудования значительно увеличивается. Возможной проблемой в таком окружении могут быть гармонические искажения в линии питания переменного тока, генерируемые регулируемым преобразователем частоты и другим электрическим оборудованием. В основном гармонические искажения не являются проблемой в промышленной обстановке.

Ниже рассматриваются гармонические искажения в линии питания переменного тока, один из аспектов электрического тока, обычно называемого «шумом». Будут обсуждены причины и вредные влияния такого шума, а также некоторые проблемы выбора преобразователя частоты, удовлетворяющего требования конкретного применения.

Причины искажений в линии питания

Большинство преобразователей частоты функционируют за счет использования мостового выпрямителя для преобразования входного переменного напряжения в постоянное напряжение (см. Рис. 1). После чего инвертор в преобразователе частоты преобразует постоянное напряжение в точное выходное напряжение и частоту для управления оборотами двигателя.

 Общая схема преобразователя частоты

Рисунок 1. Общая блок-схема преобразователя частоты.

Сегодня преобразователи частоты используют диодный мостовой выпрямитель для преобразования напряжения питания переменного тока в фиксированное напряжение шины постоянного тока (см. Рисунок 2). После чего батарея конденсаторов шины постоянного тока используется для фильтрации переменной пульсации.

 

Диодный мостовой выпрямитель на ШИМ-преобразователе частоты

Рисунок 2. Диодный мостовой выпрямитель на ШИМ-преобразователе частоты.

Хотя в результате получается очень эффективный преобразователь частоты, он может вызвать искажения в линии питания переменного тока из-за способа, которым преобразователь частоты выпрямляет переменный ток. Ток не может течь из выпрямителя в шину постоянного тока до тех пор, пока входное напряжение выше, чем напряжение в шине постоянного тока. Как показано на Рисунке 3, это происходит только в короткий период времени в каждой фазе. Это вызывает поток несинусоидального тока, создаваемого во входном каскаде преобразователя частоты. Чтобы передать энергию, которая требуется двигателю, за столь короткий период времени, пиковый ток должен быть большим.

 

Вход с большим пиковым током

Рисунок 3. Вход с большим пиковым током.

Входной ток несинусоидальный. Он состоит из двух дискретных импульсов в каждый полупериод. Поскольку импульсы тока располагаются по центру периода напряжения, коэффициент сдвига мощности практически равен единице. В результате такая кривая тока имеет большой уровень гармонических искажений.

В большинстве современного электронного оборудования используется этот тип питания от мостового выпрямителя. Компьютеры, факсы, копировальные машины и электронные дроссели стартеров люминесцентных светильников используют импульсные источники питания, которые выдают ток в несинусоидальной форме. Поскольку данный ток не пропорционален подаваемому напряжению, такие нагрузки называются нелинейными.

Измерение искажений в линии питания

Степень искажения напряжения меняется вместе с импедансом системы распределения электрического питания здания и количеством и типом подключенных нелинейных нагрузок. Чтобы сравнить эти два уровня искажений, необходимо количественно описать это искажение. Для обеспечения данного описания используется гармонический анализ. Допустимый уровень искажения напряжения зависит от чувствительности установленного в здании оборудования.

В гармоническом анализе любая повторяемая форма кривой может быть описана математически как серия чистых синусоидальных кривых. Эти синусоидальные кривые состоят из основной частоты и кратных частот, называемых гармониками. Имеется два способа выражения результата этого математического анализа.

Наиболее детальный метод описывает амплитуду компонента каждой индивидуальной гармоники, как в абсолютных единицах (таких как вольты), так и в процентах от основного компонента. При этом возможно определить источник гармонических искажений. Например, в уравновешенной электрической системе единственными гармониками, которые могут быть сгенерированы симметричной трехфазной нагрузкой, являются некратные 2 или 3 (5, 7, 11 и подобные гармоники). Если в системе присутствует третья гармоника, она, вероятно, является результатом однофазных нагрузок или дисбаланса фаз. Детальный анализ помогает также в проектировании специальных фильтров для решения проблем гармонических искажений.

При менее детальном подходе часто используется суммарный коэффициент гармонических искажений THD(Total Harmonic Distortion). Выражаясь в процентном отношении, это простое число рассчитывается как квадратный корень суммы квадратов относительного значения каждой отдельной гармоники, как показано на Рисунке 4.

Пределы гармонических искажений

Рисунке 4. Пределы гармонических искажений

Поскольку гармонические искажения напряжения могут отрицательно влиять на работу других устройств в той же самой сети питания, были установлены разнообразные стандарты для определения серьезности гармонических искажений. Одним из них является стандарт IEEE 519 Американского института инженеров-электриков и инженеров-электронщиков. Этот стандарт определяет чувствительность электрического оборудования в здании как ограничивающий фактор того, какое гармоническое искажение допустимо. Таким образом, стандарт IEEE 519 определяет пределы для различных типов зданий. Как можно увидеть на таблица, наиболее строгие ограничения относятся к строениям, в которых, вероятно, установлено чувствительное оборудование.

Класс установки Суммарный коэффициент гармонических искажений THD (%)
Чувствительные установки

 

– Аэропорты / Больницы
– Телекоммуникационные центры
3%
Общие установки
– Офисные строения / Школы
5%
Специализированные системы
– Заводы
10%

Таблица. Стандарты IEEE 519 для суммарного коэффициента гармонических искажений THD.

Отрицательное влияние искажений в линии электропитания

Ток на входе в базовый преобразователь частоты

Рисунок 6. Ток на входе в базовый преобразователь частоты.

В трехфазных системах реальный ток в преобразователе частоты течет в двух импульсах, которые отстоят друг от друга на 60°. Для фазы 1 один импульс возникает, когда разность напряжений между фазами L1 и L2 максимальна. Второй импульс происходит, когда максимальна разница напряжений между фазами L1 и L3. Реальный ток, входящий в типовой преобразователь частоты или в иное подобное электронное оборудование, показан на Рисунке 6. Эти кратковременные импульсы тока большой амплитуды могут создать ряд проблем для остальных электрических систем здания.

Одна проблема относится к силовым трансформаторам, которые питают преобразователь частоты. Трансформаторы рассчитаны на работу с ровным синусоидальным током. Короткие импульсы тока, подобные показанным выше, вызывают дополнительный нагрев в трансформаторе. Если трансформатор не рассчитан на безопасное восприятие таких токов, он может перегреться и выйти из строя. Без защиты от гармонических искажений может потребоваться увеличение допустимой нагрузки трансформатора по току.

Второй проблемой является взаимное влияние с другим оборудованием. Напряженность магнитного поля, которое возникает вокруг провода, пропорциональная частоте импульсов тока в проводе. Эти быстро изменяющиеся импульсы тока передают более сильный сигнал шума, чем обычный синусоидальный ток. Это может привести к различимому гудению в другом оборудовании, нестабильному изображению на мониторах, ненадежной передаче данных или интерференции с работой чувствительного электронного оборудования.

Типовое искажение линейного (междуфазного) напряжения

Рисунок 7. Типовое искажение линейного (междуфазного) напряжения.

В-третьих, такие импульсы тока вызывают более широко распространяющуюся и потому более критичную проблему. Поскольку потребление тока происходит в импульсах, а напряжение равняется току, умноженному на импеданс системы, форма кривой напряжения, форма кривой напряжения не будет синусоидальной. Она будет подобной форме кривой, представленной на Рисунке 7. Это явление часто называется «фэт топпинг» (Fat topping).

Дистанционные системы управления освещением, системы синхронизации часов и другие системы, которые полагаются на систему распределения электропитания в здании для передачи информации, могут работать с перебоями из-за обрезания пиков напряжения несущего тока. Регуляторы напряжения на аварийных генераторах электропитания могут вызвать нестабильную работу генераторов, поскольку они пытаются компенсировать теряемые пики напряжения. Может также быть нарушена работа другого оборудования, надежное функционирование которого зависит от «чистого» источника питания. Поскольку для всего подключенного к данному контуру оборудования используется одно и то же напряжение, его влияние может распространяться довольно широко. Поэтому данное искажение напряжения является большой проблемой.

Управление гармоническими искажениями

Когда преобразователи частоты применяются в системах HVAC, важно ограничить гармонические искажения напряжения, которые могут вызывать преобразователи. Когда в установке HVAC используется промышленный преобразователь частоты, эта важная проблема слишком часто игнорируется. В результате это может отразиться на всей электрической системе здания.

Ключом к управлению гармоническими искажениями является ограничение импульсов токов. Обычно это выполняется с помощью индукционных катушек, которые могут также называться реакторами или дросселями, на входе в преобразователь частоты. Индуктивность катушки создает противоэлектродвижущую силу (ЭДС), или напряжение, когда импульс тока проходит через катушку. Это уменьшает частоту импульсов тока.

В испытаниях преобразователей частоты среднеквадратичное значение входного тока в преобразователь частоты без фильтра гармоник составляло 107% от значения основного тока для преобразователя частоты с фильтром гармоник. Эти испытания проводились с использованием линии питания с умеренно высоким импедансом. Если импеданс линии питания ниже, эта разница могла достигать 175%. Этот дополнительный ток мог потребовать увеличения размеров всех устройств, подающих ток на преобразователь частоты: проводов, коммутаторов и трансформаторов.

Распределение линейной нагрузки и нагрузки преобразователя частоты

Рисунок 8. Распределение линейной нагрузки и нагрузки преобразователя частоты.

Отрицательное влияние на трансформатор для преобразователя частоты без фильтра гармоник представлено на Рисунке 8. Сплошная линия представляет выходную мощность трансформатора в кВА для подачи питания на преобразователь частоты. Большое содержание гармоник в токе, потребляемом преобразователем частоты, требует падения номинальной мощности трансформатора в кВА по мере нарастания нагрузки преобразователя частоты. Пунктирная линия показывает потребность преобразователя частоты в кВА. Поскольку суммарный коэффициент мощности преобразователя частоты относительно низкий, потребность мощности в кВА растет довольно быстро. Место пересечения этих двух линий представляет собой максимальную нагрузку преобразователя частоты, которую может обеспечивать питанием трансформатор. Как видно из рисунка, трансформатор может быть нагружен преобразователем частоты без фильтра гармоник только до 44% своей номинальной мощности. Это означает, что трансформатор должен быть почти в два раза больше.

аксимальная нагрузка на трансформатор со стороны преобразователя частоты, использующего реакторы постоянного тока

Рисунок 9. Максимальная нагрузка на трансформатор со стороны преобразователя частоты, использующего реакторы постоянного тока.

Когда в преобразователе частоты в качестве фильтра гармоник используется реактор линии постоянного тока, трансформаторы могут нагружаться гораздо больше, чем это было можно раньше. На Рисунке 9 показано, как трансформатор может быть нагружен до 71% своей номинальной мощности. Ток с уменьшенными гармониками, потребляемый преобразователем частоты, заставляет номинал мощности трансформатора в кВА снижаться медленно по мере роста нагрузки преобразователя частоты. Поскольку суммарный коэффициент мощности преобразователя частоты относительно высокий, потребность мощности в кВА преобразователя частоты близка к мощности, подаваемой на преобразователь частоты. Это уменьшает суммарный коэффициент гармонических искажений THD до 42% и достигается без отрицательного влияния на характеристики преобразователя частоты или двигателя.

 

Ток на входе в преобразователь частоты, оснащенный ректорами линии постоянного тока

Рисунок 10. Ток на входе в преобразователь частоты, оснащенный ректорами линии постоянного тока.

Ток на входе в преобразователь частоты с фильтром в шине постоянного тока представлен на Рисунке 10. Более высокие импульсы входного тока на преобразователе частоты без входных катушек (с Рисунка 6) показаны серым цветом. Улучшение в потреблении тока существенно с сильно уменьшенными гармоническими искажениями в линии питания переменного тока. Это улучшает суммарный коэффициент гармонических искажений THD здания и увеличивает нагрузку трансформатора.

 

Амплитуда тока каждой гармоники, вызванной преобразователем частоты

Рисунок 11. Сравнение спектров токов гармоник.

График на Рисунке 11 демонстрирует амплитуду тока каждой гармоники и сравнивает спектр токов гармоник, вызванных преобразователем частоты с фильтром гармоник и без фильтра гармоник.

В приведенной ниже таблицы сравниваются суммарный коэффициент гармонических искажений с коэффициентом активной мощности, измеряемых в этих испытаниях.

  Преобразователь частоты без фильтра гармоник Преобразователь частоты с реактором постоянного тока
Суммарный коэффициент гармонических искажений THD 107% 42%
Коэффициент активной мощности 0,68 0,91

Важной проблемой является искажение напряжения, вызванное искажением тока. На Рисунке 12 представлена кривая напряжения, которая получается, когда преобразователь частоты с фильтром линии постоянного тока был подключен к той же линии электропитания и к той же нагрузке, что и преобразователь частоты без фильтра. Данная кривая напряжения не имеет существенный «фэт топпинг». Вклад в гармонические искажения существенно уменьшен.

Напряжение на входе в преобразователь частоты с фильтром линии постоянного тока

Рисунок 12. Напряжение на входе в преобразователь частоты с фильтром линии постоянного тока.

Суммарное гармонические искажения напряжения для преобразователя частоты, представленного на Рисунке 8, было измерено как 4%. Это неприемлемо для критических установок. Для преобразователя частоты, представленного на Рисунке 12 с реакторами постоянного тока, суммарный коэффициент гармонических искажений THD составил 2%. Это удовлетворяет даже самому строгому стандарту IEEE. Коэффициент активной мощности вырос с 0,68 в преобразователе частоты без фильтра до 0,91 для преобразователя частоты с реакторами постоянного тока.

 

Регулируемый преобразователь частоты VLT HVAC DRIVE со встроенными реакторами линии постоянного тока

Рисунок 13. Регулируемый преобразователь частоты VLT HVAC DRIVE со встроенными реакторами линии постоянного тока.

Установка фильтров гармоник

На преобразователе частот существует два основных места, в которых устанавливаются уменьшающие гармоники реакторы.

Метод, который используется в преобразователях частоты VLT HVAC DRIVE, представлен ан Рисунке 13. Поскольку данный преобразователь частоты разрабатывался специально для установок HVAC, ограничение гармонических искажений в линии питания было частью критериев проектирования. В результате данный преобразователь частоты содержит встроенные реакторы фильтров. Подключенные между входным выпрямителем и конденсатором шины постоянного тока, они называются реакторами линии постоянного тока.

Обычный преобразователь частоты с добавленными опциональными реакторами линии переменного тока

Рисунок 14. Обычный преобразователь частоты с добавленными опциональными реакторами линии переменного тока.

Если преобразователю частоты не хватает фильтра гармоник, перед использованием установок HVAC может потребоваться установить внешний фильтр. Это задача реакторов линии переменного тока, представленных на Рисунке 14. Реакторы линии переменного тока должны быть внешними по отношению к преобразователю частоты и устанавливаются на всех трех входящих фазах.

Сравнение реакторов линии постоянного тока с реакторами линии переменного тока

Как реакторы линии постоянного тока, так и реакторы линии переменного тока могут существенно снизить искажения напряжения в линии питания переменного тока.

Чтобы получить необходимые характеристики по гармоникам, важно, чтобы используемые реакторы переменного или постоянного тока имели правильные размеры. Чтобы обеспечивать те же самые характеристики, номиналы реакторов линии переменного тока должны быть примерно на 50% больше, чем у реакторов постоянного тока. Кроме того, реакторам линии переменного тока требуется отдельный корпус с дополнительной проводкой, установкой и местом под него. Ток, проходящий через реакторы линии переменного тока, генерирует электрические потери, которые не были предусмотрены в исходной конструкции преобразователя частоты. Это падение напряжения на реакторе линии переменного тока уменьшает напряжение, доступное на преобразователе частоты. Когда дело касается небольших проблем с напряжением в линии, добавление реакторов линии переменного тока ухудшает дело. 5-процентный реактор линии переменного тока создает в контуре постоянного тока преобразователя частоты падение напряжения в 2,5%. Это уменьшает допустимую флуктуацию напряжения в источнике питания переменного тока. Мощность, которую преобразователь частоты подает на двигатель, также уменьшается. Выходная мощность ограничивается номинальным током преобразователя частоты и не может компенсировать падение выходного напряжения. Эти потери напряжения уменьшают кпд преобразователя частоты. Это также приводит к дополнительному выделению тепла, которое должно быть рассеяно.

Реакторы линии постоянного тока уменьшают только пульсации в контуре постоянного тока преобразователя частоты и не уменьшают уровень напряжения постоянного тока. Таким образом, они не уменьшают выходное напряжение переменного тока. Реакторы постоянного тока генерируют дополнительный уровень тепла в преобразователе частоты, но поскольку они не являются добавкой, преобразователь частоты VLT HVAC DRIVE рассчитан на рассеивание данного тепла. Сравнение влияния реакторов переменного и постоянного тока на напряжение постоянного тока представлено на Рисунке 15.

Влияние реакторов линий переменного и постоянного тока на уровень постоянного напряжения

Рисунок 15. Влияние реакторов линий переменного и постоянного тока на уровень постоянного напряжения.
Слева, верхняя кривая демонстрирует 1-процентный реактор линии переменного тока, а нижняя кривая – 10-процентный реактор линии переменного тока. Кривые справа показывают воздействие эквивалентных реакторов линии постоянного тока.

Реакторы линии переменного тока действуют как буфер между искажениями в линии питания и секцией входного выпрямителя преобразователя частоты. Преобразователь частоты VLT HVAC DRIVE, спроектированный на использование металло-оксидных варисторов MOV (metal oxide varistor) и резисторно-конденсаторных (R/C) демпфирующих контуров, защищает вход преобразователя частоты от шума в линии питания переменного тока и не требует дополнительного демпфирования.

Заключение

Искажения в линии питания переменного тока от преобразователя частоты являются реальной проблемой установокHVAC. Важно то, что преобразователь частоты обеспечивает фильтрацию, чтобы уменьшить отрицательное влияние, которое преобразователь частоты имеет на остальную часть электрической системы здания. Регулируемый преобразователь частоты VLT HVAC Drive, разработанный под требования установок HVAC, включает в себя встроенные реакторы линии постоянного тока как стандартную опцию.

Данные испытания системы

Данные испытаний основаны на следующих спецификациях системы.

Полная мощность трансформатора 1,5 МВА
Напряжение первичного контура 11 кВ
Напряжение вторичного контура 400 В
Импеданс 6,1%
Мощность короткого замыкания, вторичный контур 25 МВА
Мощность короткого замыкания, первичный контур 350 МВА
Отношение короткого замыкания 250
Мощность преобразователя частоты 100 кВт
HC преобразователя частоты без фильтра 745%
HC преобразователя частоты с фильтром 319%

Предполагается 100% уравновешенность напряжения. Также предполагается, в целях сравнения, что перед установкой преобразователей частоты в систему гармонических искажений не было.