Методологии ослабления нелинейных искажений

Теория Фурье утверждает, что сигнал любой повторяющейся формы можно представить в виде суммы сигналов синусоидальной формы, частота которых кратна основной частоте. Эти суммированные сигналы более высокой частоты, которые приблизительно воспроизводят сигнал основной частоты, называют «гармониками». В электрическом контексте «гармоники» представляют собой высокочастотные компоненты  искаженного сигнала напряжения или тока.

 

 

В настоящее время большое внимание уделяют гармоникам системы питания. В первую очередь это обусловлено быстрым увеличением нелинейных, однофазных нагрузок, таких как импульсные источники питания, небольшие балластные сопротивления люминесцентных ламп, небольшие источники бесперебойного питания или однофазные контроллеры напряжения, а также увеличением трёхфазных нагрузок с транзисторным управлением, таких как преобразователи частоты и крупные источники бесперебойного питания. В совокупности они составляют все большую долю от общей нагрузки типичного промышленного предприятия, что обусловлено необходимостью ускорения производства и повышения эффективности использования энергии. В идеальной системе питания ток и напряжение имели бы чисто синусоидальную форму. Однако на практике при быстром включении входного питания генерируются несинусоидальные токи, так что протекающий через нагрузки ток не имеет линейной зависимости от приложенного напряжения. Нелинейные токи из источника питания взаимодействуют с реактивным сопротивлением источника питания, приводя к искажению напряжения питания. Эти нежелательные несинусоидальные напряжения могут создавать проблемы, как в системе питания, так и по всему предприятию в целом. Кроме того, они могут создать проблемы в электрической сети за пределами предприятия.

 

Так что же представляют собой гармоники, поступающие из питающей сети? Гармоники являются синусоидальными волнами, частота которых кратна частоте коммерческой электросети (основной частоте 50 Гц или 60 Гц). Короче говоря, они создают искажения, которые в идеале имели бы чисто синусоидальную форму. Сетевой источник питания неизбежно содержит некоторое количество гармоник и имеет форму искаженной в некоторой степени волны. Некоторые электрические и электронные устройства создают искаженные сигналы из-за наличия на входе выпрямителей и сглаживающих фильтров. Искажения, создаваемые этими устройствами, если они достаточно велики, могут оказывать влияние на другое электрическое оборудование и устройства, получающие питание от того же самого источника. Гармонические токи создают такие проблемы, как: перегрузка нейтралей, перегрев трансформаторов, несвоевременное срабатывание автоматических выключателей, перенапряжение конденсаторов для коррекции коэффициента мощности и скин-эффект в кабелях. Кроме того, гармонические напряжения приводят к возникновению следующих проблем: понижение эффективности системы, перегревание асинхронных двигателей и пульсация их крутящего момента. Если эти гармонические напряжения слишком велики, то они могут привести к выходу установки из строя.

 

Таким образом, гармонические искажения считаются нежелательным явлением, которое тем или иным путем приводит к ненужным затратам. Поэтому важно добиться уменьшения или ослабления гармоник, чтобы избежать уменьшения срока службы установки, сократить время простоя и повысить эффективность и тем самым сократить затраты. Подобно страхованию, ослабление гармоник позволяет избежать возникновения проблем. Ослабление гармоник приводит к увеличению нагрузочной способности трансформатора и срока службы оборудования, обеспечивает более высокую эффективность оборудования и снижает вероятность отключения оборудования и выхода установки из строя.

 

Гармоники могут возникать в жилых домах, оснащенных таким оборудованием, как телевизоры, DVD-плееры, компьютеры, переключатели светорегуляторов и люминесцентные лампы, причем каждый из этих приборов вносит значительный вклад в общее гармоническое искажение на электроэнергетическом предприятии. Гармоники генерируются такими коммерческими объектами, как банки, офисные комплексы или торговые центры, в которых работает множество компьютеров, принтеров, систем бесперебойного питания и преобразователей частоты, используемых, например, в инженерных системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Гармоники могут также возникать на предприятиях обрабатывающей промышленности, где частотные преобразователи, содержащие звенья переменного и постоянного тока, используют по самому разному назначению. Другими нелинейными нагрузками являются промышленные установки преобразования энергии, такие как выпрямители для технологического процесса, зарядные устройства для аккумуляторов, системы бесперебойного питания и лампы дневного освещения. Чаще всего гармонические искажения приводят к увеличению потребляемой мощности и к снижению качества электроэнергии, причем оба эти последствия сопряжены с техническими и финансовыми потерями на любом предприятии. К счастью, сетевые помехи из электронных регуляторов мощности можно уменьшить за счет ограничения амплитуды импульсных токов, а эффективное ослабление гармоник позволит компании снизить эксплуатационные затраты до нижней отметки.

 

 

Во избежание чрезмерного ухудшения качества электроэнергии можно использовать различные ограничения, предотвращения или компенсации в отношении систем и устройств, генерирующих гармоники.

 

Пассивные фильтры - последовательность LC - контуров, настроенных на отдельные частоты гармоник и включенных параллельно нагрузке. Это приводит к уменьшению суммарного гармонического искажения.

 

Активные фильтры - электронные поглощающие схемы, включенные параллельно нелинейным нагрузкам. Они удаляют гармонические напряжения и токи и предотвращают искажение в системе питания.

 

Выпрямление многоимпульсного входного сигнала – задающие входные выпрямительные схемы с большим количеством импульсов (12, 18 или 24) за цикл генерируют более низкие уровни гармоник.

 

Активный выпрямитель – вместо обычных выпрямителей в задающих входных схемах используют IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) - переключатели. Эти схемы используют полупроводниковые приборы с быстрыми характеристиками переключения, чтобы придать входному току приблизительно синусоидальную форму. Они очень эффективны при ослаблении низкочастотные сетевых помех.

 

Дроссели на входе или в звене постоянного тока – индукционные катушки, установлен-ные последовательно с задающей входной схемой или звеном постоянного тока, обеспе-чивают импеданс, который возрастает по мере увеличения частоты протекающих через них токов.

 

Однако вышеупомянутые методы ослабления влекут за собой затраты, не ограничивающиеся затратами на сам преобразователь частоты. Ниже приведен график зависимости общего уровня затрат от эффективности ослабления гармоник.

 

Преобразователи частоты, содержащие низкоёмкостное звено постоянного тока  

 

В последние годы на рынке наблюдается увеличение предложений преобразователей частоты, содержащих низкоемкостное звено постоянного тока, обеспечивающих сигнатуру с более низким уровнем гармоник. Это решение основано на низкой внутренней емкости звена постоянного тока. Гармонические токи генерируются главным образом во время зарядки конденсаторов фильтра, и уровень гармонических токов зависит от емкости фильтра, поэтому фильтры с малой емкостью обеспечивают более низкие уровни гармоник. Используя этот не требующий больших затрат подход, производители резко снижают емкость звена постоянного тока даже в отсутствие дросселя. Таким образом, они уменьшают отношение гармонического тока к суммарному коэффициенту гармонических искажений входного тока (THDi) до значения менее 40%. Однако он смещает сетевые помехи в более высокочастотную область спектра, которая не учитывается THDi. Это несоответствие помогает устранить планируемый выпуск нового стандарта. В нем дано определение частичного взвешенного коэффициента гармонического искажения (ЧВКГС), причем на приведенном ниже графике можно видеть, что низкоемкостное звено постоянного тока обладает даже более высоким значением ЧВКГС.

 

 

ЧВКГС введен в стандарт IEC61000-3-12, причем низкоемкостное звено постоянного тока часто не соответствует требованиям этого стандарта. Из-за того, что устройства с низкоемкостным звеном постоянного тока обладают широким спектром частот, существует повышенный риск резонанса с другими компонентами, подключенными к этой сети, такими как люминесцентные лампы или трансформаторы. Использование небольших конденсаторов в звене постоянного тока обусловлено главным образом тем, что преобразователи этой конструкции имеют более низкую сигнатуру гармоник.

 

Понижению емкости звена постоянного тока способствует использование пленочных конденсаторов вместо электролитических конденсаторов без ущерба для надежности конденсаторной батареи. Пленочные конденсаторы пригодны благодаря не только их долговечности, но и более низкому тепловыделению, которое облегчает управление температурным режимом работы преобразователя частоты. Тем не менее, главным преимуществом является снижение содержание гармоник в линейных токах без использования индуктивных элементов, уменьшающих коэффициент гармонических искажений. Точнее говоря, это звено уменьшает уровень THDi (суммарный гармонический ток THC / в стандарте IEC61000-3-12 ed.2 2011) до 30-35% в диапазоне до 2 кГц. Однако искажение тока просто смещается в более высокочастотную область, а, следовательно, сетевые помехи в области более 2 кГц будут гораздо более сильными, в частности, они будут преобладать на частоте переключения. В любом случае обычные приводы, понижающие THC ниже 45%, соответствуют международному и европейскому стандарту по гармоникам IEC/EN61000-3-12, который определяет предельные значения гармонических токов, создаваемых оборудованием, подключенным к городским низковольтным распределительным системам. Кроме того, часть стандартов IEC61000-3-12 теперь приступила к разработке требований к эмиссиям из-за серьезного искажения показаний интеллектуальных счетчиков, используемых на сетевом источнике питания в диапазоне частот 2-150 кГц.

 

Кроме того, приводы с регулируемой частотой вращения, содержащие  низкоемкостные звенья постоянного тока, проявляют серьезные недостатки со стороны нагрузки. При использовании преобразователей такого рода изменения нагрузки приводят к значительно более сильным изменениям напряжения. Следовательно, они имеют большую склонность к колебаниям в ответ на изменения нагрузки на валу двигателя. Небольшой конденсатор звена постоянного тока не обеспечивает удовлетворительное снижение гармоник, созданных входным диодным выпрямителем, что приводит к нежелательным колебаниям напряжения на звене постоянного тока. Эти колебания создают шум и вибрацию, а также пульсации вращающего момента на валу двигателя, а в результате привод становится очень чувствительным к быстрым изменениям скорости, которые приводят, в свою очередь, к перенапряжениям на крупных звеньях постоянного тока, способным привести к отключению преобразователя частоты. При отключении нагрузки, например, во время резкого торможения, двигатель работает в качестве генератора, повышая уровень напряжения на звене постоянного тока. Вследствие этого устройства с низкоемкостным звеном постоянного тока отключают быстрее, чем обычные устройства, чтобы защитить их от поломки из-за перегрузки или перенапряжения. К тому же преобразователи с низкоемкостным звеном постоянного тока, обладающим  небольшой или даже нулевой емкостью, плохо защищены от бросков  напряжения в сети. Обычно емкость низкоемкостного звена постоянного тока  составляет примерно 10% от емкости обычного звена постоянного тока. Преобразователи с низкоемкостным звеном постоянного тока загрязняют сеть не только сетевыми помехами входного тока, но и частотой переключения преобразователя со стороны двигателя. Это ясно видно со стороны сети в связи с низкой или нулевой емкостью звена постоянного тока.

 

Преимущества и недостатки использования низкоемкостного звена постоянного тока приведены в таблице

 

Низкоемкостное звено постоянного тока
Преимущества	Недостатки
Более низкая стоимость	Воздействиена двигатель привода ·    пульсации крутящего момента; ·    высокая температура; ·    шумивибрация.
Компактность	Низкая эффективность системы
Встроено в привод	Короткий кабель двигателя
Низкий уровень гармоник в диапазоне частот ниже 2 кГц	Риск возникновения резонансов/отключений в системе/сети
	Высокий уровень гармоник в области выше 2 кГц
	Частичное соответствие требованиям стандарта IEC61000-3-12 в отношении частичного взвешенного коэффициента и будущих нормативных документов по стандартизации частоты TC77A

 

На приведенном выше рисунке проведено сравнение различных методов ослабления гармоник для разных диапазонов мощности (кВт) и разных суммарных значений коэффициента нелинейных искажений входного тока THDi (%) в диапазоне частот от 0 до 2 кГц.

 

 

Понижение емкости звена постоянного тока в «низкоемкостном звене постоянного тока» означает, что в звене постоянного тока существует относительно высокое пульсирующее напряжение по сравнению с обычным преобразователем частоты, содержащим дроссели в звене постоянного тока. Пульсирующее напряжение на конденсаторе увеличивает внутреннее тепловыделение, а, следовательно, может снижать срок службы конденсатора. Пленочные конденсаторы ранее не были пригодны для использования в качестве конденсаторов звена постоянного тока в преобразователе частоты, поскольку они не имели достаточно высокой емкости при номинальных напряжениях. Однако последние разработки по технологии изготовления пленочных конденсаторов позволили создать конденсаторы, пригодные для использования в звеньях постоянного тока при номинальных напряжениях.

 

 

Преобразователь частоты, содержащий низкоемкостное звено постоянного тока с 6-импульсным нерегулируемым выпрямителем, может замедлять нарастание сигнала и увеличивать продолжительность нарастания пиков входного тока из-за низкой емкости звена постоянного тока. Емкость для хранения заряда также значительно снижается, так что при одной и той же нагрузке двигателя, входной выпрямитель должен проводить ток дольше, чтобы обеспечить необходимый ток двигателя. Следовательно, конструкция низкоемкостного звена постоянного тока обуславливает снижение уровня искажения гармонического тока и среднеквадратичного входного тока по сравнению с  уровнями искажения в обычных преобразователях частоты, содержащими дроссели в звене постоянного тока. Изготовители преобразователей частоты, содержащих низкоемкостное звено постоянного тока, утверждают, что эти преобразователи  обычно имеют уровень THDi в диапазоне 30 – 35 %, хотя этот уровень сильно зависит от импеданса сетевого источника питания. Однако таким же образом можно утверждать, что сходные уровни THDi можно обеспечить в обычных преобразователях частоты с регулируемой частотой вращения, содержащих дроссели в звене постоянного тока, при надлежащем импедансе сетевого источника питания.

 

Кроме того, относительно небольшая емкость звена постоянного тока в преобразователе частоты, содержащем низкоемкостное звено постоянного тока,  делает его потенциально чувствительным, а, следовательно, более склонным к отключению в некоторых типичных условиях эксплуатации. Из-за относительно небольшой емкости низкоемкостного звена постоянного тока напряжение пульсаций в звене постоянного тока значительно выше напряжения пульсаций в обычном преобразователе частоты, содержащем дроссели в звене постоянного тока, во время работы двигателя с полной нагрузкой. При нормальных условиях эксплуатации с полной нагрузкой обычный преобразователь частоты с дросселями в звене постоянного тока имел бы напряжение пульсаций, составляющее менее 5% от пика до пика, которое соответствует примерно одной трети от типичного напряжения пульсаций в преобразователе частоты с низкоемкостным звеном постоянного тока. Однако в зависимости от конструкции преобразователя частоты с низкоемкостным звеном постоянного тока это напряжение может влиять на производительность двигателя и обычно делает преобразователь частоты с регулированием частоты вращения более чувствительным при эксплуатации в аномальных или динамических условиях.

 

Гармоническое искажение токов, а, следовательно, гармоническое искажение напряжения в сетевом источнике питания 6-импульсного широтно-импульсного преобразователя частоты может создавать проблемы, если гармонические токи оказываются чрезмерными, как было упомянуто выше. Однако гармонические токи можно ограничивать относительно простым путем. Таким образом, они не должны препятствовать использованию  преобразователей частоты, например, в инженерных системах обогрева, вентиляции и кондиционирования воздуха, поскольку они обладают множеством преимуществ. Так, например, они позволяют улучшить контроль качества воздуха в кондиционируемом пространстве при более низком потреблении энергии по сравнению с традиционными методами. Но если экстенсивно использовать преобразователи частоты по всей инженерной системе обогрева, вентиляции и кондиционирования воздуха в здании, то использование множества преобразователей частоты без фильтра гармоник может привести к эксплуатационным проблемам и к появлению потребности в более крупных по размеру кабелях, в более мощных распределительных устройствах и трансформаторах. Использование преобразователей частоты с простой фильтрацией гармоник, такой как установка дросселей в звене постоянного тока или входных дросселей переменного тока, обычно решает проблему с гармоническим искажением. Чтобы уменьшить эмиссию гармонических токов из преобразователя частоты, следует ограничивать импульсы тока. Добиться этого можно путем использования дросселей и катушек.

 

У обычных преобразователей частоты емкость звена прямого тока значительно больше, напряжение на звене постоянного тока остается более стабильным при изменении нагрузки и параметров источника сетевого питания, и звено постоянного тока  обладает большей способностью поглощать и хранить энергию. При нормальных условиях эксплуатации напряжение пульсаций в звене постоянного тока обычного преобразователя частоты с дросселями в звене постоянного  тока остается относительно постоянным, увеличиваясь примерно от 1% при отсутствии нагрузки  и до 5% при полной нагрузке.

 

В преобразователе частоты с низкоемкостным звеном постоянного тока напряжение пульсаций может возрасти при полной нагрузке до 15%. Кроме того, можно ожидать, что напряжение на звене постоянного тока будет иметь более сильные колебания при понижении напряжения в сети и при работе двигателя с динамической нагрузкой (например, во время запуска и торможения). Это означает, что любая схема защиты преобразователя частоты, опирающаяся на напряжение в звене постоянного тока или на напряжение пульсаций в звене постоянного тока, будет более чувствительной в преобразователе частоты с  низкоемкостным звеном постоянного тока, чем в обычном преобразователе частоты,  и более склонной к частым отключениям, что не позволяет выявить потенциально опасные условия его эксплуатации.

 

 

В целом, преимущества низкоемкостного звена постоянного тока могут сводиться к более компактной конструкции с тем же самым или более низким содержанием гармоник в области ниже 2 кГц. Однако недостатков у низкоемкостного звена постоянного тока больше, и некоторые из них являются значительными. Так, сильные искажения напряжения в области выше 2 кГц создают потенциал для высокочастотных резонансных явлений и ставят под сомнение его включение в будущие стандарты по гармоникам, а сильные пульсации крутящего момента на валу двигателя создают шум и вибрации, что делает его менее пригодным для эксплуатации в динамических условиях.

В итоге традиционная топология с катушкой в звене постоянного тока по-прежнему остается "лучшим предложением на рынке", когда речь идет о надежности и существенном удалении гармоник с использованием менее дорогостоящего / более эффективного варианта из спектра решений по ослаблению гармоник.