Устранение проблем от высших гармоник частотно-регулируемого электропривода.
Harmonic distortion elimination in frequency drive systems.
Входная цепь большинства двухзвенных низковольтных преобразователей частоты (ПЧ) представляет собой трехфазный мостовой выпрямитель (схема профессора А.Н. Ларионова). Работа такого электроприёмника сопровождается появлением токов высших гармоник. Нелинейные токи вызывают падения напряжения на элементах цепи и искажают форму напряжения. Искажения синусоиды напряжения, в свою очередь, приводят к нештатной работе электроустановок.
|
|
| Пример. Искажения напряжения в сети нефтегазового месторождения, возникающие при работе частотно-регулируемых электроприводов. | Пример. Нарушения работы модулей автоматического ввода резерва вследствие искажений напряжения в сети нефтегазового месторождения. |
Величина и спектр высших гармоник тока и искажений напряжения зависят от многих факторов, в числе которых:
- схема силовой части входной цепи преобразователя частоты (6-пульсная, 12-пульсная и др.);
- наличие дросселей, их параметры и место установки (на входе ПЧ или в звене постоянного тока);
- нагрузка и общее количество одновременно работающих ПЧ в составе электроустановки;
- внутреннее сопротивление источника (генератора, трансформатора, сетевого преобразователя);
- наличие условий возникновения резонанса (из-за ёмкости конденсаторных установок, кабелей) и др.
Просто спросить...?
Высшие гармоники канонические, четные, кратные трем, интергармоники.
Характер проблем в электроустановках, возникающих при работе преобразователей частоты.
Перегрев генераторов, трансформаторов, коммутационных аппаратов, проводов и кабелей в цепях питания преобразователей частоты возникает при значительной величине токов высших гармоник.
Перегрев электродвигателей с прямым включение в сеть (без преобразователей частоты), конденсаторных установок и др. происходит вследствие питания искаженным напряжением и обусловленными этим токами высших гармоник.
|
|
| Пример. Перегрев трансформатора токами высших гармоник. | Пример. Перегрев конденсаторной установки токами высших гармоник. |
Значительные падения напряжения на протяженных ЛЭП и силовых трансформаторах из-за дополнительной нагрузки токами высших гармоник могут вызывать отключения потребителей.
Ложные срабатывания защит по напряжению и току, сбои синхронизации автономных электростанций, источников бесперебойного питания и др. являются следствием искажения формы напряжения.
Отключения преобразователей частоты по защите «Повышенное напряжение в звене постоянного тока» и/или перегрев диодных мостов характерны прежде всего для приводов небольшой мощности.
Особое место занимают проблемы, возникающие вследствие резонанса на участке электроустановки.
Пример. Высшие гармоники 11-го и 13-го порядков возрастают в 3 – 4 раза при подключении ступеней конденсаторной установки.
Применение дросселей в силовых цепях преобразователей частоты.
Хорошей практикой является установка дросселей на входе или в звене постоянного тока преобразователей частоты. В обоих случаях уровень гармоник тока при работе привода заметно снижается.
|
|
| Преобразователь частоты без дросселей испытывается на стенде СПИК «СЗМА». | При нагрузке преобразователя частоты (151 кВт) без дросселей THDi от 34 до 41 %. |
|
|
| Дроссель, установленный на входе преобразователя частоты. | При нагрузке преобразователя частоты (179 кВт) с дросселем THDi от 25 до 31 %. |
Кроме того, входной дроссель отчасти защищает диодный мост и уменьшает количество отказов преобразователей частоты.
В системах частотного регулирования входные дроссели могут устанавливаться в конструктиве преобразователя частоты или отдельно от преобразовательного модуля.
|
|
| Установка входных дросселей в конструктиве преобразователя частоты. | Установка входных дросселей на объекте «по месту». |
Применение во входных цепях преобразователей частоты пассивных фильтров, настроенных на определенный спектр гармоник (Tuned filters).
Вместо дросселей в цепях питания преобразователей частоты могут устанавливаться пассивные фильтры, настроенных на определенный спектр гармоник (например, 5 и 7 порядков).
Пассивные фильтры “Ecosine” включены последовательно с преобразователями частоты ACS 550 (ABB).
Достоинство такого решения – более эффективное подавление высших гармоник тока. Очевидные недостатки заключаются в увеличении стоимости силового оборудования и размеров конструктивов для его установки.
Менее очевидный, но важный недостаток – генерация в сеть реактивной мощности ёмкостного характера при долевых нагрузках.
Это может быть опасно при работе в автономном режиме электроснабжения от электростанций небольшой мощности.
|
|
| Конденсаторы в составе пассивного фильтра “Ecosine” создают на вводе питания реактивную мощность ёмкостного характера. | При активной нагрузке 268 кВт, реактивная мощность ёмкостного характера от фильтра “Ecosine” – (минус) 102 квар. |
При росте до определенной величины реактивной мощности ёмкостного характера на шинах генератора происходит его отключение встроенной защитой.
Применение преобразователей частоты AFE (Active Front End).
Данное решение наиболее эффективно с точки зрения минимизации гармоник тока в цепи питания преобразователя частоты. Вместе с тем, применение AFE-преобразователей существенно удорожает проект, увеличивает занимаемое ПЧ пространство и потери.
Применение активных динамических фильтров.
Активный динамический фильтр (АДФ), подключенный к цепи питания преобразователя частоты, позволяет уменьшить искажения тока практически до нуля. Это зависит от номинального тока компенсации АДФ, от применённых настроек и ограничивается только соображениями здравого смысла.
Испытания на стенде СПИК «СЗМА» преобразователя частоты. Активный фильтр отключен. Нагрузка 179 кВт, THDi от 25 до 31 %.
Испытания на стенде СПИК «СЗМА» преобразователя частоты. Активный фильтр ВКЛЮЧЕН. Нагрузка 174 кВт, THDi от 7 до 10 %.
Активные фильтры эффективны при решении всего спектра проблем в электроустановках, возникающих от преобразователей частоты. Применяя АДФ в системах электропривода, важно учесть следующее.
Активные фильтры подключаются ПАРАЛЛЕЛЬНО электроприёмникам, и через них не протекает ток нагрузки привода. Выбор габарита АДФ осуществляется не по номинальным данным преобразователей частоты, а по требуемому току компенсации. АДФ компенсируют как гармоники тока одиночного привода, так и группы электроприводов при одновременной работе.
Активные фильтры могут выборочно компенсировать гармоники определенных порядков. Это особенно полезно в ситуациях, когда существует опасность возникновения резонанса.
Активные фильтры могут компенсировать гармоники тока электроприводов или искажения напряжения, поступающие со стороны источника электроэнергии. Это позволяет выборочно защищать наиболее ответственные и чувствительные к искажениям электроприёмники.
|
Активные фильтры. Практика компенсации высших гармоник в электроустановках. |
Известно, что преобразователь частоты AFE может оказаться источником гармоник тока высоких порядков (более 50-го). При возникновении с этим проблем, эффективным решением также будут активные динамические фильтры.
Предложения Инженерного центра «АРТ».
Проектируем и поставляем системы электропривода практически любой мощности с учетом особых требований электромагнитной совместимости.
Осуществляет техническую поддержку в течение всего срока полезного использования оборудования.
