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

Применение преобразователей частоты в системах: уменьшение помех в сети электропитания

Во времена ограниченных бюджетов, ожиданий высоких уровней доходности и повышенного внимания к производственным расходам люди стараются избежать излишних трат денег. В этом отношении важно полное использование существующих мощностей электроснабжения. Все больший вклад в нарушение качества электропитания вносят нелинейные нагрузки, увеличивая расходы и отказы. Эту ситуацию могут исправить подходящие меры фильтрации.

Влияние нелинейных нагрузок на качество электропитания

Все нелинейные нагрузки, включая преобразователи частоты с мостовыми выпрямителями «B6», нагружают линии электропитания реактивными гармониками. Входной выпрямитель и сглаживающие конденсаторы для постоянного тока выдают пульсирующий входной ток. Из-за этого в большей или меньшей степени нарушается синусоидальная форма кривой, в зависимости от конструкции устройства.

Изучая этот несинусоидальный ток более тщательно и используя приборы, не ограниченные основной частотой, форму кривой можно разложить с помощью анализа Фурье на набор синусоидальных токов с различными частотами. Эти кривые называются гармониками. Самое сильное влияние на сеть электропитания с частотой 50 Гц имеют 3, 5 и 7 гармоники на частотах 150 Гц, 250 Гц и 350 Гц.

Влияние гармоник

Сеть электропитания, трансформаторы и оборудование компенсации коэффициента мощности рассчитывается на номинальную частоту 50 Гц системы электропитания от сети, а не на гармоники. Последствия представляют собой повышенные расходы на электропитание, дополнительные расходы из-за более высоких затрат на реактивную мощность и дополнительные инвестиционные расходы из-за переразмеривания или даже отказов оборудования.

Высокие уровни помех в сети электропитания могут разрушить оборудование компенсации коэффициента мощности

В случае использования недросселированного оборудования компенсации коэффициента мощности существует риск того, что конденсаторы и катушки могут образовывать резонансные контуры на частотах гармоник. Это увеличивает нагрузку на сеть электропитания, а потому должно учитываться. Поэтому дросселирование оборудования компенсации коэффициента мощности является в настоящее время обычным, даже если влечет дополнительные расходы. Положительные эффекты включают в себя существенно более длительный срок службы этого типа оборудования и улучшенное состояние сети электропитания за счет определенного эффекта демпфирования гармоник.

Необходимость переразмеривания

Следующим моментом является более высокая тепловая нагрузка на трансформаторы. Она вызвана более высокими потерями на перемагничивание и увеличенным общим током при заданной нагрузке, возникающим из-за токов гармоник. Во избежание перегрузки трансформатор можно сделать больше, но это влечет за собой более высокие инвестиционные расходы. В тех случаях, когда это невозможно, как в существующих системах, использование максимальной мощности должно ограничиваться ниже ранее вычисленной расчетной точки. Это влияет также на установленные кабели и проводку. Здесь можно наблюдать тот факт, что более крупные поперечные сечения или даже параллельная прокладка нескольких кабелей приводит к существенно более высоким финансовым расходам, особенно на относительно более длинных дистанциях.

Нелинейные однофазные нагрузки, возникающие от таких приборов как компьютеры, зарядные устройства, мониторы, энергосберегающие лампы и устройства управления фазами генерируют третью гармонику, которая не только не нейтрализуется нейтральным проводником, но вместо того добавляет напряжение на отдельных фазах, приводя к возникновению токов, которые ведут к перегрузке нейтрального проводника. Это можно предотвратить путем увеличения поперечного сечения кабеля нейтрального проводника.

Ограниченная эксплуатационная надежность и сокращенный срок службы

Искажение напряжения питания, если превышаются допустимые пределы, может ухудшать работу чувствительных нагрузок или даже вообще препятствовать ее работе. Такие нагрузки включают в себя системы управления процессами, компоненты управления или измерительные устройства, правильная работа которых требует, чтобы напряжение питания соответствовало четко указанным требованиям качества. Даже если система электропитания соответствующая и/или качество электропитания допускают нормальную работу, может возникать преждевременный отказ. Причиной этого являются более быстрое старение компонентов, частичной перегрузки компонентов и эффекты более высокого рассеяния мощности.

Возможные средства уменьшения гармоник

Операторы систем имеют в своем распоряжении различные варианты мер для уменьшения помех в сети электропитания. Их можно разделить на пассивные и активные меры. Определенные меры по уменьшению гармоник следует принимать на этапе проектирования системы, поскольку модернизация делает и без того уже недешевое средство модернизации еще более дорогим. В общем случае, перед выбором любого средства оператор должен выполнить анализ сети питания, чтобы установить точные характеристики топологии системы, пространственные ограничения и возможности основной системы электропитания и подсистем распределения.

Настраиваемые поглощающие контуры

Если в рассматриваемой сети электропитания обнаруживаются частоты гармоник, которые требуют демпфирования, для них проектируются контуры фильтров. В этом случае важную роль играет импеданс сети электропитания, который должен быть улучшен. Поглощающие контуры представляют собой резонансные контуры, которые должны настраиваться на окружающие условия. На практике это означает, что каждый аттенюатор должен настраиваться специально. Контуры фильтров реагируют на изменения в топологии системы только в ограниченных пределах. После чего оператор обязан выполнить улучшения или новые настройки. Таким образом, данное решение подходит для случаев, в которых не ожидается выполнения больших изменений структуры сети электропитания.

Пассивные фильтры гармоник

Гораздо более для общего использования подходят пассивные фильтры гармоник. Они состоят из индуктивно-емкостного (LC) контура, который может влиять на частоты нескольких гармоник. В зависимости от требуемой мощности, фильтр проектируется на полный ток нагрузки для конкретной нагрузки или распределительной секции. Фильтры могут состоять из нескольких модулей, а потому легко настраиваются на более позднем этапе. Надежные фильтры должны устанавливаться последовательно с источником помех или параллельным контуром распределительной секции, требующим демпфирования. Если существуют существенные искажения качества электропитания от сети или увеличение степени искажения тока нагрузки, пассивные фильтры гармоник могут быть перегружены. Ограничений фильтрующих аппаратных средств только пассивными компонентами в системе, исключает необходимость конфигурации гибких устройств. Таким образом операторы могут достичь уменьшения токов гармоник до 5 % суммарного значения коэффициента нелинейных искажений тока на входе THDi в зависимости от возможностей фильтра.

Электронные фильтры

Возможны дополнительные меры, благодаря улучшенным полупроводниковым устройствам, подходящим для использования в более высоких диапазонах мощностей, в комбинации с современными микропроцессорными технологиями. Одной из таких мер являются системы активных электронных фильтров.

Основная идея – использование активного источника тока в комбинации с постоянным измерением качества электропитания в сети для расчета токов смещения и подачи их в сеть электропитания с целью получения в результате суммирования синусоидальной кривой тока. Конструкция этого нового поколения фильтров дорога по сравнению с пассивными системами. Требуется быстрый сбор данных с высоким разрешением вместе с большими мощностями компьютерной обработки данных и высокоскоростными устройствами на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT. Структуру такого фильтра можно разбить на каскады сбора данных измерений, контроллера, хранения энергии (конденсатор) и силового полупроводникового прибора на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT.

Благодаря технологии встроенных микропроцессоров и способности активно влиять на сети электропитания, электронные фильтры имеют гораздо более высокий потенциал по сравнению с пассивными решениями. Они обеспечивают возможность моделирования функциональности описанных выше поглощающих контуров без необходимости учета изменений топологии сетей питания. На практике это означает, что можно выбирать для демпфирования конкретную гармонику посредством подходящей конфигурации параметров фильтра, в то время как другие гармоники, при необходимости, остаются нетронутыми. Это позволяет получить стандартизованный уровень гармоник системы с использованием минимальной мощности на фильтре. Максимальная допустимая мощность активного фильтра может быть специально увеличена для обеспечения демпфирования в соответствии с требованиями оператора. Конечно, можно иметь фильтр, работающий во всем спектре гармоник. В результате это приводит к демпфированию гармоник до той точки, в которой ток фильтра используется полностью. Не требуется, чтобы располагаемая мощность фильтра соответствовала полной мощности нагрузки. На практике мощность фильтра должна соответствовать примерно 35% номинальной нагрузки электрического привода с диодным мостом «B6», который требует демпфирования гармоник.

Благодаря индуктивной связи, данный фильтр не нужно подключать последовательно с сетью электропитания или нагрузкой, для которых требуется демпфирование. Вместо этого все, что требуется, это доступ к соответствующему фидеру или распределительному щиту. С точки зрения конструкции эти устройства компактны и данные фильтры можно устанавливать там, где позволяет свободное место. Рассеиваемая ими мощность, например по сравнению с пассивными фильтрами гармоник, существенно ниже за счет меньшей конструкции и соответственно высокой эффективности.

Достижимый уровень искажений гармоник составляет около 5% суммарного значения коэффициента нелинейных искажений тока на входе THDi. Это позволяет существенно улучшить использование доступных энергетических систем. С точки зрения экономии средств более эффективной может быть установка электронных фильтров, чтобы уменьшить помехи от гармоник в кабелях и трансформаторах. Это приведет к лучшему использованию номинальной мощности.

Кроме того, электронный фильтр может также обеспечить компенсацию коэффициента мощности в своих пределах, а также возможна компенсация гармоник на входе из линии питания.

Выводы

Каждая из описанных выше мер имеет конкретную область применения и может обеспечивать эффективную защиту от чрезмерных гармоник в сети электропитания, в зависимости от существующих ограничений. Эти технологии подтверждаются своей надежностью, но не всегда их можно модернизировать без существенных расходов. Именно здесь на смену приходят электронные фильтры. Несомненно, потребуется некоторое время, чтобы данная технология стала стандартной, поскольку сначала потребуется оценить все преимущества и недостатки различных методов. Для безопасной эксплуатации потребуется обучение сотрудников, проектировщиков и служебного технического персонала. Принимая во внимание потребность в более эффективном использовании существующих систем, постоянное увеличение нелинейных нагрузок и появляющиеся в результате помехи в сети питания, данные решения готовы к получению более широкого признания.