Гармонические искажения при работе преобразователей частоты

Материал по гармоническим искажениям носит практический и прикладной характер. Он базируется на многолетнем опыте работы компании "Веспер" в области производства, поставки и обслуживания преобразователей частоты. В статье приведены примеры расчета коэффициентов гармоник при работе преобразователей частоты и выбора дополнительных устройств для снижения гармонических составляющих.

Параметры промышленной питающей электросети должны соответствовать требованиям ГОСТ 13109-97 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения". Реальная электрическая сеть и ее параметры отличаются от идеальных. Влияние различных факторов приводит к отклонению параметров сети от норм и ухудшению качества электроэнергии.

Параметры питающей сети, не соответствующие нормам (повышенное или пониженное напряжение, всплески и провалы напряжения, искажение синусоидальной формы напряжения и т.д.), воздействуя на подключенных электропотребителей, могут нарушать их нормальную работу и даже выводить их из строя.

Среди показателей качества электроэнергии (КЭ) стандартом определены два параметра, характеризующие степень искажения формы синусоиды напряжения в электросети:

коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения
U(1) — действующее значение междуфазного (фазного) напряжения 1-ой гармоники (основной частоты);
U(2), U(3) : U(40) — действующие значения междуфазного (фазного) напряжения высших гармоник, кратных по частоте основной гармонике (при определении коэффициента искажения синусоидальности KU стандарт предписывает учитывать гармоники только от 2-ой до 40-й и не учитывать гармоники, уровень которых менее 0,1%);
* Другие названия KU — "коэффициент гармоник", "коэффициент нелинейных искажений". В иностранной литературе обозначается как THD (Total Harmonic Distortion — коэффициент суммарных гармонических искажений).
коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения
n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте, в спектре сетевого напряжения.

В результате сложения основной (1-ой) гармоники номинальной частоты питающей сети с появившимися по разным причинам высшими гармониками форма синусоиды искажается.
Таким образом, коэффициент искажения синусоидальности KU определяет долю суммарного напряжения высших гармоник в питающем напряжении электросети по отношению к напряжению основной частоты, а коэффициент n-ой гармонической составляющей KU(n) характеризует вклад конкретной гармоники в общие искажения.

Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения для сетей напряжения 0,38 кВ составляет 8%, предельно допустимое значение составляет 12%. Нормально допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей для каждой гармоники приведено в ГОСТ 13109-97, например, для 5-ой гармоники — 6,0%, для 7-ой гармоники — 5% и т.д. Предельно допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей для каждой гармоники в 1,5 раза больше нормально допустимого.

Причинами появления высших гармоник являются подключенные к электросети потребители, имеющие нелинейные входные цепи и вследствие этого потребляющие импульсный ток. Нелинейный характер цепи определяется наличием в ней полупроводниковых нелинейных элементов (выпрямительных мостов, диодов, тиристоров и т.д.). А развитие производства современных силовых полупроводниковых приборов ведет к возрастающему количеству приборов, управляемых тиристорами, конверторами (инверторами) и др.

Примеры нелинейных электропотребителей, являющихся причинами гармонических искажений:

статические преобразователи (выпрямители, источники бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания, преобразователи частоты, регулирующие скорость вращения электродвигателей переменного тока, и т.п.);
газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;
электродуговые печи постоянного и переменного тока;
сварочные аппараты;
устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;
специальные медицинские приборы и т.п.
Увеличивающаяся в последние годы тенденция широкого внедрения в самые разные отрасли промышленности нужных и полезных приборов — преобразователей частоты, являющихся для электросети нелинейными потребителями, — заставляет все больше обращаться к проблемам, связанным с гармоническими искажениями сетевого напряжения питания.

5.1. Проектно-конструкционные решения

Выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин (разделение линейных и нелинейных нагрузок).
Снижение полного сопротивления распределительной сети. Это один из эффективных методов снижения нелинейных искажений. Кабели и сборные шины имеют полное сопротивление, имеющее в значительной степени индуктивный характер. Увеличение сечения кабелей (проводов) снижает активное сопротивление распределительной сети, но не снижает ее индуктивность. Максимальное эффективное сечение жил кабелей (проводов) составляет приблизительно 95 мм2. С дальнейшим увеличением сечения кабелей их индуктивность остается относительно постоянной. Более эффективным является использование параллельно соединенных кабелей (проводов).
Применение 12-пульсного выпрямителя. Например, для снижения величины коэффициента искажения синусоидальности токов трехфазных источников бесперебойного питания (ИБП) до уровня менее 10% используют 12-полупериодные выпрямители. Применение 12-пульсного выпрямителя позволит полностью подавить 5-ю и 7-ю гармоники в питающем токе выпрямителя.
Подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания. Практически это означает замену трансформатора питания на более мощный.
Обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы. Необходимо добиться, насколько это возможно, сбалансированности нагрузок по фазам. При этом обеспечивается минимальный ток в проводнике нейтрали и минимальное содержание гармоник в выходном напряжении источника бесперебойного питания (в случае его применения, например, для питания компьютера).

5.2. Применение фильтрующих устройств подавления гармоник

Включение линейных дросселей. Последовательное включение линейных дросселей переменного тока является простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник во внешнюю сеть. Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению.
Линейные дроссели переменного тока позволяют уменьшить коэффициент гармоник в несколько раз, в зависимости от соотношения мощности питающего трансформатора, мощности нагрузки и параметров дросселя. Для оценки уровня гармонических искажений можно воспользоваться средствами расчета, имеющимися в открытом доступе. Так, при мощности питающего трансформатора 800 кВА подключенные к сети преобразователи частоты разной мощности внесут в нее разные гармонические искажения:
– ПЧ мощностью 315 кВт — 7,3%
– ПЧ мощностью 30 кВт — 2,9%
После установки линейных 2% дросселей на входах ПЧ уровень гармонических искажений сети снизится и, соответственно, составит:
– для ПЧ мощностью 315 кВт с входным 2% дросселем — 5,6%
– для ПЧ мощностью 30 кВт с входным 2% дросселем — 0,8%
Включение дросселей постоянного тока в преобразователях частоты. Дроссели постоянного тока в преобразователях частоты подключаются к специально выведенным клеммам в разрыв цепи постоянного тока — подключение может быть произведено пользователем самостоятельно. Некоторые модели преобразователей поставляются уже со встроенными дросселями постоянного тока.
Эффективность дросселей постоянного тока в части снижения гармонических искажений напряжения сети примерно такая же, как и линейных дросселей переменного тока.
Используя предыдущий пример, можно определить, что установленные 2% дроссели постоянного тока снизят уровень гармонических искажений, соответственно, до уровня:
– для ПЧ мощностью 315 кВт с 2% дросселем постоянного тока — 6,3%
– для ПЧ мощностью 30 кВт с 2% дросселем постоянного тока — 1,3%
Применение пассивных (резонансных) фильтров. Применение последовательно включенных линейных дросселей (или дросселей постоянного тока в преобразователях частоты) в ряде случаев не позволяет уменьшить гармонические искажения до желаемых пределов. В этом случае целесообразно применение пассивных LC-фильтров, настроенных на определенную частоту гармоник (резонансных фильтров).
Для улучшения гармонического состава потребляемого тока такие фильтры нашли широкое применение, например, в системах с источниками бесперебойного питания (ИБП). Подключение фильтра на входе 6-пульсного выпрямителя при 100% нагрузке ИБП обеспечивает снижение коэффициента искажения синусоидальности до величины 8-10%. Значения этого коэффициента в системе без фильтра может достигать 30% и более.

5.3. Использование специальных устройств

Применение специальных разделительных трансформаторов. Разделительный трансформатор с обмотками "треугольник-звезда" позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке в трехфазной сети. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали дополнительно применяют "перекрестную" (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора.
Специальный К-фактор-трансформатор, будучи примененным вместо обычного трансформатора, позволяет выдержать нагревание, вызванное высшими гармониками за счет того, что такие трансформаторы имеют дополнительную теплоемкость. Кроме того, специальная конструкция К-фактор-трансформаторов позволяет свести к минимуму потери на вихревые токи и потери из-за паразитной емкости.
Применение магнитных синтезаторов. Магнитный синтезатор представляет собой устройство, получающее на вход трехфазное напряжение электросети и генерирующее на выходе стабилизированное трехфазное переменное напряжение, защищенное от высших гармоник в сети, вызывающих искажение синусоидальной формы входного напряжения, а также от провалов и выбросов электропитания, импульсных и высокочастотных помех.
Выходное напряжение магнитного синтезатора на каждом полупериоде основной частоты генерируется путем объединения шести прямоугольных импульсов от связанных между собой импульсных трансформаторов с насыщением, аналогично инверторам со ступенчатым (пошаговым) принципом управления. Принцип работы магнитного синтезатора обеспечивает точную регулировку формируемых импульсов по амплитуде и длительности. Магнитный синтезатор не содержит каких-либо силовых полупроводниковых элементов, выполняя функцию стабилизатора напряжения.
Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения магнитного синтезатора не превышает 4%, независимо от степени искажения напряжения сети на входе даже при полностью асимметричной нагрузке.
Применение активных фильтров гармоник (АФГ). Другое название этих устройств — активные кондиционеры гармоник. В отличие от пассивных фильтров гармоник, которые требуют полного анализа электросети и производятся для подавления всего нескольких гармоник, активные фильтры гармоник электросети, напротив, подавляют весь спектр гармонических составляющих в сети и не приводят к резонансу с существующим оборудованием: силовыми трансформаторами и косинусными конденсаторами.
Активный фильтр гармоник подключается параллельно нелинейной нагрузке. Принцип действия активного фильтра гармоник основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но с противоположной фазой. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра, не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения сети.
Активный фильтр гармоник может быть установлен в любой точке распределительной сети и способен компенсировать высшие гармоники от одной или нескольких нелинейных нагрузок. Активный фильтр гармоник обеспечивает наилучшее подавление высших гармоник. Например, применение такого фильтра позволяет снизить коэффициент искажения синусоидальности напряжения с THD = 17% (без фильтров) до THD = 2,5%.