При коммутации в сетях переменного тока, работе электрооборудования, содержащего емкостные и индуктивные элементы, возникает паразитная ЭДС, вызывающая появление высоко- и низкочастотных гармоник.
Частота гармоник отличается от частоты тока и напряжения, при наложении гармонических составляющих возникает искажение синусоидальной формы напряжения и тока. Коэффициент гармонических искажений обозначается как THD (Total Harmonic Distortion). Возникновение паразитной составляющей вызывает любая нелинейная нагрузка:
- Трансформаторы, электродвигатели, генераторы.
- Силовая электроника (конвертеры, тиристорные системы, преобразователи частоты и т.д.).
- Сварочное оборудование, плавильные электрические печи и другие установки и устройства, где используется дуговой разряд.
- Микроволновые печи, люминесцентные лампы.
Искажение формы тока и напряжения существенно ухудшает качество электроэнергии и отрицательно влияет на работу оборудования. Паразитные гармоники вызывают избыточный нагрев обмоток электродвигателей и трансформаторов, сокращают срок службы оборудования. Кроме того, искажения приводят к асимметрии фаз, ненормальной работе силовых установок. При проектировании электросетей с нелинейной нагрузкой, приходится существенно увеличивать сечение нейтрального проводника.
Гармоники вызывают наводки в слаботочных сетях, искажают показания контрольно-измерительных приборов, выводят из строя чувствительное оборудование.
Преобразователи частоты содержат тиристорный или транзисторный инвертор, который является источником паразитных гармоник.
Способы борьбы с гармониками
Для уменьшения гармонических искажений применяют несколько методов. Выбор конкретного способа делается исходя из общих стандартов электромагнитной совместимости, требований оборудования, электросети, а также экономических показателей.
Производители преобразователей частоты предлагают несколько решений:
- Оптимизация схемы преобразования частоты.
- Установка фильтров, сглаживающих помехи.
Применение разделительных трансформаторов, многоуровневого преобразования частоты, алгоритмов управления ШИМ-модулятором с удалением выделенных гармоник существенно снижает уровень помех на входе и выходе преобразования.
Синусоидальная форма выходного напряжения достигается использованием 18-, 24- 36- 48- 54-пульсных схем. При этом каждая силовая ячейка содержит выпрямитель и инвертор. Выходы ячеек соединяются последовательно, при сложении напряжений на выходе преобразователя будет сигнал чистой синусоидальной формы. Для исключения гармоник, поступающих в сеть, используют гальваническую развязку входной и инверторной цепи. Разделение достигается введением в конструкцию многообмоточного трансформатора.
Многопульсные преобразователи с трансформатором имеют значительные размеры и вес. Они гораздо дороже 6- и 12-пульсных устройств. Устройства такой конструкции применяют для высоковольтных электроприводов и оборудования с высокими требованиями к форме питающего напряжения.
Для борьбы с гармониками в низковольтных сетях используют фильтры. Устройства предоставляют собой индуктивные, емкостные элементы, а также колебательные контуры.
Выделяют пассивные и активные фильтры. Первые компенсируют паразитную составляющую путем сглаживания колебаний. Активные фильтры автоматически определяют амплитуду и частоту гармоник и генерируют напряжение, компенсирующее искажение.
Активные фильтры
Активные фильтры предназначены для подавления всех гармоник, генерируемых при работе нелинейной нагрузки. Устройство можно устанавливать до и после преобразователя частоты. Активный фильтр отслеживает величину искажения и автоматически определяет параметры и форму компенсационного напряжения.
Активные фильтры:
- Мгновенно подавляют гармонические искажения любого порядка.
- Компенсируют реактивную мощность в динамическом режиме.
- Устраняют явление резонанса в цепях переменного тока.
- Увеличивают cosφ.
Устройства работают в непрерывном режиме, как только измерительный блок фиксирует искажения, сразу генерируется компенсационное напряжение. Устройства совместимы с другими фильтрами гармоник, емкостными батареями и другим оборудованием для увеличения качества электроэнергии в сетях переменного тока. Главный недостаток активных фильтров – высокая стоимость. Область их применения – системы электроснабжения с высокими требованиями к чистоте напряжения и питание чувствительного оборудования.
Пассивные фильтры
Пассивные фильтры – устройства на базе катушек индуктивности или колебательных контуров. Оборудование устанавливается во входной или выходной цепи преобразователя частоты. Подавление гармоник осуществляется путем сглаживания помех. Такие фильтры рассчитаны на борьбу с определенными искажениями. Различают входные и выходные устройства.
Стандартный пассивный фильтр представляет собой катушку индуктивности и колебательный контур. Параметры элементов рассчитывают под конкретную сеть электропитания. Устройство служит двусторонним буфером между питающей сетью и преобразователем частоты. Фильтры такой конструкции:
- Используют в сетях электроснабжения с большим количеством нелинейных потребителей.
- При ассиметричной нагрузке с отклонениями между фазами больше 1,8%.
- При подключении к одной линии нескольких преобразователей частоты.
Пассивный входной фильтр защищает от пробоя конденсатор в звене постоянного тока, частично устраняет межфазную асимметрию, сглаживают помехи, начиная с 5 гармоники. Устройство не требует технического обслуживания и может встраиваться в уже работающий привод.
Для уменьшения искажений напряжения, поступающего с преобразователя частоты, используют выходные фильтры:
- Синфазных помех.
- dU/dt.
- Cинусоидальные.
Фильтры синфазных помех предназначены для подавления высокочастотной составляющей. Устройства представляют собой дифференциальные трансформаторы. Оборудование уменьшает величину подшипниковых токов, наводки кабеля идущего от преобразователя частоты к электродвигателю. Фильтры не нуждаются в обслуживании и ремонте, совместимы с другими устройствами для подавления паразитных гармоник.
dU/dt фильтры предназначены для сглаживания формы напряжения с частотного преобразователя, предотвращения резких перепадов напряжения. Устройство представляет собой катушку индуктивности или “Г”- образный колебательный контур. Фильтры предотвращают пробой изоляции обмоток при частых рекуперативных торможениях, пусках, реверсах и остановках. Устройства устанавливают в приводах, работающих в повторно-кратковременных режимах, при тяжелых условиях пуска.
Синусоидальные фильтры представляют собой колебательный контур, настроенный на частоту менее половины частоты коммутации электронных ключей, открываемых и закрываемых ШИМ-модулятором. Синусовые устройства приближают форму выходного напряжения к синусоидальной, эффективно подавляют высокочастотные гармоники. Оборудование устанавливают в приводах:
- С большими промежутками между техническими обслуживаниями.
- Оборудования на 680 В.
- Установок, работающих с частыми пусками, выключениями, торможениями, реверсами.
Устройства снижают нагрев обмоток, акустический шум, позволяют применять более длинный кабель для подключения электродвигателя. Многие преобразователи частоты укомплектованы встроенными фильтрами выходной цепи.
Пример расчета входного фильтра
Борьба с гармоническими искажениями тока требует комплексного подхода. Установка однотипного фильтра не всегда эффективно решает задачу. При выборе устройств учитывают:
- Общие стандарты и директивы по электромагнитной совместимости электрооборудования.
- Характеристики сети. При этом учитывают тип источника электроэнергии (генератор, трансформатор), допустимую асимметричность фаз, величину фоновых искажений и другие характеристики.
- Тип потребителей, их количество и мощность.
- Экономическую эффективность (затраты на покупку, обслуживание, экономия при внедрении, срок окупаемости, рентабельность).
Установка фильтров позволяет значительно снизить искажения тока и напряжения, увеличить качество электроэнергии на выходе. Устройства также подавляют паразитные гармоники, поступающие в электросеть.
Выбор фильтра делается по входному току преобразователя частоты. Эта величина определяется отношением:
I = (PM × 1000)/(UL × ηM × ηFC × ηAHF × √3),
где UL – напряжение в сети, PM – мощность электродвигателя, ƞM – к.п.д. электродвигателя, ƞFC – к.п.д. применяемого частотного преобразователя, ƞAHF – наименьшее значение к.п.д. фильтра.
При большом входном токе допустимо включение в параллельную работу нескольких фильтров. Выбор параметров ПЧ в этом случае делается, исходя из суммарного выходного тока всех устройств.
При выборе необходимо подобрать устройство из таблицы типоразмеров на ток, максимально приближенный к расчетному значению. Фильтры обеспечивают наибольшее снижение THDi при номинальной нагрузке, выбор устройства с большим запасом приведет к увеличению гармонической составляющей.
При правильном выборе фильтров, уровень искажений снижается до 5-10%. Для сравнения, устройства с выходными фильтрами обеспечивают THD 30-40%.
При проектировании электропривода с устройствами подавления гармоник следует также учесть, что при повышении напряжения при включенных в цепь конденсаторах, разность потенциалов на входе преобразователя частоты будет на 5% выше, чем на входе фильтра. Для защиты от перегрева устройство имеет встроенные термореле, по одному на каждой группе индукторов. При замене электродвигателя необходимо заново рассчитать параметры фильтра. При расхождении результатов с фактическими характеристиками нужно заменить устройство подавления помех.
Линейка современных преобразователей частоты со встроенными и внешними фильтрами позволяет реализовать электроприводы с любыми требованиями к электромагнитной совместимости и величине коэффициента гармонических колебаний.
