Оборудование

Активные фильтры гармоник

За период чуть более 10 последних лет вопросы качества энергоснабжения переросли из узкой сферы интересов специалистов в предмет всеобщей озабоченности. Различные отрасли все больше и больше полагаются на электроэнергию для своих основных потребностей, в то время как увеличение числа нагрузок нелинейного характера увеличивает гармонические искажения во всей системе электроснабжения. Соответственно устройства сглаживания или компенсации гармонических составляющих тока приобретают все большую значимость как для производителей и поставщиков электроэнергии, так и для их потребителей.

Введение

Проблемы, вызываемые гармоническими токами в электроустановках и системах электроснабжения, описаны в разделе 3.1. В настоящее время большая часть промышленной, коммерческой и домашней нагрузки является нелинейной и уровень искажений в низковольтных распределительных сетях стал предметом серьезного беспокойства. Возможные проблемы, которые могут быть вызваны значительным гармоническим напряжением в системе электроснабжения, были известны уже давно, и для ограничения подобных искажений внедрялись соответствующие технологии и стандарты. Этот процесс был довольно успешным в том плане, что проблемы, испытываемые потребителями, почти всегда возникают из-за условий, которые складываются на их собственном участке ответственности и лишь изредка привносятся из сети. Если эта ситуация продолжится, потребители должны будут ограничивать количество гармонического тока, который создается их оборудованием. Следовательно, именно потребители должны обеспечивать наличие фильтрации гармонических составляющих там, где это необходимо. Для этого существует три доступных способа, каждый с определенными преимуществами и недостатками:

— применение пассивных фильтров;

— трансформаторное решение – изоляция, соединение обмотки в зигзаг, группирование соединения обмоток;

— применение активных фильтров.

В этом разделе обсуждаются активные фильтры, иногда называемые активными сглаживателями гармоник (АСГ, в англоязычной литературе – AHC. – Прим. ред. пер.). Примеры в настоящей работе относятся к коммерческой версии, производимой компанией MGE UPS Системс Лимитед под торговой маркой SineWave.

Оборудование для ослабления гармонических искажений может поставляться либо для нужд поставщиков электроэнергии (т. е. отвечать требованиям G5/4 или их местным эквивалентам), либо для решения проблем, возникающих в пределах участка потребителя. Размещение и выбор оборудования будут зависеть от конкретных обстоятельств и, как правило, требуют детального исследования ситуации с гармоническими искажениями.

При использовании оборудования для информационных технологий (IT) будут присутствовать все нечетные гармоники, приводящие к таким проблемам, как перегрузка нейтралей тройной нуль последовательной (т. е. нечетной, кратной трем) гармоникой. Такого рода проблемы могут быть устранены с помощью добросовестного проектирования – путем правильного подбора номиналов кабелей. Однако часто изменения функционального назначения зданий и их планировки означают, что такого рода проблемы возникают впоследствии, уже в ходе эксплуатации. Проблема усугубляется тем, что конфигурация офисов обычно часто меняется так, что токи, которые изначально были относительно «чистыми», оказываются сильно загрязненными. Другими словами, состояние гармоник в электроустановках зданий меняется по мере добавления нового оборудования и перемещения существующего. Эти изменения часто планируются без учета того влияния, которое они могут оказать на общую электрическую инфраструктуру.

Замена кабелей в функционирующих зданиях может оказаться очень дорогостоящей и слишком разрушительного свойства, чтобы прибегать к ней, отчего требуются иные методы коррекции. К таким методам относится использование пассивных фильтров, однако довольно сложно спроектировать эффективный пассивный шунтирующий фильтр для третьей гармоники. Любой пассивный фильтр применим только для гармоники той частоты, для которой он был спроектирован, поэтому будут требоваться индивидуальные фильтры для других частот, создающих проблемы. В любом случае при изменении картины гармоник пассивные фильтры, возможно, должны будут быть заменены или дополнены. Трансформаторы с зигзагообразным соединением и трансформаторы с дельта намотанной изоляцией эффективны против таких гармоник, но они не оказывают никакого влияния на другие гармоники. Поэтому хорошим решением является применение активного фильтра гармоник – АФГ.

Топология активных фильтров гармоник

Идея активного фильтра гармоник не нова, однако отсутствие эффективной технологии производства по приемлемым ценам замедлило ее развитие на много лет. Сегодня широкая доступность биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) и цифровых процессоров сигнала (ЦПС, DSP) превратили АФГ в практическое решение проблемы.

Принцип применения АФГ прост: силовая электроника используется для генерирования гармонических токов, необходимых для питания нелинейных нагрузок таким образом, чтобы синусоида сохраняла максимально правильную форму. На рис. 1 показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Параллельный активный фильтр гармоник

Ток нагрузки измеряется катушкой-трансформатором, данные которой анализируются ЦПС для определения картины спектра гармоник. Эта информация используется генератором тока для производства и выплескивания в цепь именно такого гармонического тока (по амплитуде, форме и фазе. – Прим. ред. пер.), который необходим для компенсации искажений нагрузки в следующем цикле основной кривой тока (синусоиды). На практике величина гармонического тока уменьшается приблизительно на 90 %.

В связи с тем, что АФГ управляется на основе данных, получаемых от катушки-трансформатора, он динамически адаптируется к изменениям в гармониках нагрузки. Так как процессы анализа и генерирования контролируются программным обеспечением, то устройство легко программируется на компенсацию только отдельных гармоник с целью обеспечения максимального КПД в пределах характеристик устройства.

Предложено большое количество различных топологий, некоторые из которых описаны ниже. Для каждой топологии существует специфика необходимых параметров как отдельных элементов, так и подбора устройства целиком для тех нагрузок, которые должны быть компенсированы.

Последовательные фильтры

Этот тип фильтра, соединенный последовательно в распределительной сети, компенсирует как гармонические токи, генерируемые нагрузкой, так и искажение напряжения, уже присутствующее в системе электропитания. Это решение с технической точки зрения напоминает линейный фильтр и должно быть подобрано исходя из полной нагрузки.

Параллельные фильтры

Параллельные фильтры, также называемые шунтирующими, соединяются параллельно линий переменного тока и должны быть подобраны только для величин гармонических токов от нелинейной нагрузки. Этот тип детально описывается позже.

Гибридный фильтр

Это решение, совмещающее в себе активный и пассивный фильтры, может быть либо последовательного, либо параллельного типа. В некоторых случаях это может быть выгодным решением. Пассивный фильтр выполняет основную фильтрацию (например, 5-го порядка), а активный, благодаря своему точному и динамическому методу, охватывает другие порядки гармоник.

Принцип действия параллельного активного гармонического кондиционера

Активный кондиционер соединен параллельно электропитанию и постоянно выплескивает гармонические токи, которые точно соответствуют гармоническим компонентам, генерируемым нагрузкой. В результате ток, который поставляется источником, остается синусоидальным.

При этом поддерживается весь низкочастотный спектр от второй до двадцать пятой гармоники.

Если гармонические токи, генерируемые нагрузкой, превышают максимальное номинальное значение АФГ, изделие автоматически ограничивает ток компенсации по своему максимальному номинальному значению: фильтр не может перегружаться и будет продолжать коррекцию до максимального номинального значения тока, а любой превосходящий гармонический ток вернется в систему электропитания. АФГ может постоянно работать в таком состоянии без повреждений.

Трехуровневая радиальная система распределения с указанием возможных точек подсоединения AФГ

Точки соединения и различные конфигурации

АФГ могут быть установлены в различных токах распределительных сетей:

— в центре, в точке общего соединения (РСС) для общей компенсации гармонических токов (рис. 5, поз. А);

— частичная компенсация гармонических токов (рис. 5, поз. В);

— вблизи загрязняющих нагрузок с целью обеспечить местную компенсацию гармонических составляющих (рис. 5, поз. С).

Следует отметить, что фильтр реагирует только на гармоники «ниже по течению». Фильтр в позиции В, например, будет корректировать только гармонический ток нагрузок на фидере S 3 и не будет реагировать на нагрузки любого другого фидера. Это позволяет достичь большей гибкости в проектировании схемы коррекции.

Как и в случае со всеми фильтрами гармоник, сторона нагрузки все равно остается зараженной гармоническими токами. Очищается только сторона электропитания цепи. Из этого следует, что кабели стороны нагрузки необходимо подбирать, учитывая гармоники и поверхностный эффект.

В идеале компенсация гармонических составляющих должна происходить в точке их появления. Для оптимизации компенсации гармоник несколько фильтров могут быть соединены в различных конфигурациях. Эти конфигурации могут использоваться в любой точке распределительной сети, предлагая полную гибкость и огромный выбор компенсационных стратегий. Наиболее распространенные конфигурации описаны в следующих двух параграфах.

Параллельная конфигурация

Данная конфигурация, изображенная на рис. 6, отвечает следующим требованиям:

— увеличенная способность коррекции в определенной точке системы переменного тока путем соединения до четырех фильтров с одинаковым номиналом;

— увеличенная способность коррекции для целей последующего увеличения нагрузки;

— повышенная надежность из-за использования запаса значения номинала фильтра.

Каскадная конфигурация

Эта конфигурация, изображенная на рис. 7, имеет следующие преимущества:

— увеличение общей компенсационной способности путем использования фильтров с одинаковым или различными номиналами;

— компенсация определенной нагрузки или местная компенсация гармоник, а также общая компенсация гармонических составляющих группы нелинейных нагрузок.

Результаты применения

Этот раздел представляет некоторые характерные результаты применения AФГ для нелинейных нагрузок. Цифры иллюстрируют порядок компенсации гармонических составляющих, которые могут быть достигнуты при типичных применениях в промышленности и зданиях делового профиля.

Некомпенсированный спектр нагрузок ПК-типа

Полностью исправленная нагрузка ПК-типа

Частично исправленная нагрузка ПК-типа

Типичная не скорректированная нагрузка регулируемого привода

Скорректированная нагрузка регулируемого привода

Нагрузки ПК-типа

Нагрузки типа персональных компьютеров характеризуются резкостью во всех нечетных гармониках низкого порядка, с очень высокими уровнями третьих, пятых, седьмых и девятых. Типичный спектр изображен на рис. 8.

Этот тип нагрузки вызывает множество проблем, включая перегрузку нейтралей, перегрев трансформаторов и перегрев из-за поверхностного эффекта, как обсуждалось в разделе 3.1. данного Руководства. Применение AФГ к подобной нагрузке очищает картину спектра тока, как изображено на рис. 9. Улучшение очевидно – THDI (общее искажение гармонического тока) сокращается с 92,6 до 2,9 % (в 32 раза), а ток RMS уменьшается на 21 %.

Полная коррекция, как показано на рис. 9, требует больших значений тока активного фильтра. В зависимости от обстоятельств, возможно, не будет необходимости компенсировать все гармоники. Проблемы могут быть связаны только, например, с третьей гармоникой, и, возможно, будет достаточно иметь дело только с такими гармониками. Рис. 10 демонстрирует воздействие, которое оказывает на картину спектра программирование AФГ для удаления только третьей гармоники.

Польза подобного подхода в том, что проблема решается с более низким значением компенсационного тока АФГ, что позволяет и одному устройству справиться с гораздо большей нагрузкой.

Нагрузки регулируемых приводов

На рис. 11 изображена типичная нагрузка регулируемого привода при частичной нагрузке. Очень высокие пятый и седьмой компоненты могут вызвать серьезные проблемы в установке, такие как перегрев трансформатора, а также могут стать серьезной проблемой в плане соответствия пределам по значениям гармонического тока, установленным поставщиком электроэнергии.

Путем добавления АФГ и полной коррекции можно добиться картины спектра гармоник, показанного на рис. 12. В этом случае THDI сокращается с 124 до всего лишь 13,4 % (9,3 раза), с 30%-м сокращением RMS тока.

АФГ имеют следующие преимущества:

— сокращают THDI приблизительно в соотношении 1:10;

— уменьшают потери мощности;

— не подвергаются влиянию колебаний частоты – например при работе от резервного генератора;

— отсутствует риск резонанса с какой-либо гармонической частотой;

— не подвержены перегрузке;

— гибкость в применении;

— в случае необходимости могут программироваться пользователем для выбора конкретных особенных гармонических частот.

AФГ дают простое в применении решение весьма сложной проблемы. Это очень гибкое решение, которое помогает справиться с будущими изменениями в конфигурации электроустановки и назначении зданий.

Борьба с гармоническими искажениями – один из элементов мероприятий по повышению как надежности, так и энергоэффективности в энергоснабжении.

Перепечатано с сокращениями из издания Европейского института меди «Прикладное руководство по качеству электроэнергии»

Перевод с английского Е. В. Мельниковой

Редактор перевода В. С. Ионов

3. Гармонические искажения

4. Непрерывность и доступность

5. Проблемы нестабильности напряжения

6. Заземление и ЭМС

7. Рациональное использование элеткрктроэнергии

3. Гармонические искажения

— 3.1.1. Введение в проблему ГИ

— 3.1.2. Влияние конденсаторов

— 3.2.1. Измерение гармоник

— 3.2.2. Истинное RMS – единственно верное измерение

— 3.2.3. Термовизуальное сканирование – доступный профилактический метод

— 3.3.1. Пассивные фильтры гармоник

— 3.3.2. Трансформаторные решения снижения ГИ

— 3.3.3. Активные фильтры гармоник

— 3.3.4. Активныеочистители ГИ

— 3.4.1. Вопросы системной совместимости

— 3.4.2. Стандарт G5\4

— 3.4.3. Стандарт EN 16000

— 3.5.1. О номиналах и размерности нейтрального проводника

— 3.5.2. О размерности и выборе трансформаторов

— 3.5.3. О размерности и выборе электропривода

— 3.5.4. О системе активных и пассивных фильтров ГИ

Поделиться статьей в социальных сетях:

Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №4’2004

распечатать статью —>

Обсудить на форуме
Предыдущая статья
Следующая статья

Источник



Об активных фильтрах гармоник для «чайников» и правилах выбора фильтрокомпенсирующих устройств.

Анонс: Простые для понимания концепции гармоник и технических средств для их подавления. Особенности применения активных фильтров гармоник для устранения искажений в сети. Физическая аналогия работы активного фильтра.

Для тех, кто пока не может достаточно полно (в техническом аспекте) разобраться с вопросом гармоник и их фильтрации в силовых сетях низкого напряжения, достаточно принять на веру факт:

гармоники – токи с частотой, которая кратна и отличается от фундаментальной частоты (в нашей стране 50 Гц), т.е. 2 порядок 2*50=100 Гц, 3-ий – 3*50=150 Гц, 4-ый — 4*50=200 Гц.
Гармоники накладываются на ток фундаментальной частоты и искажают форму его синусоиды, что влечет за собой искажение формы и величины напряжения и т.д.

Поэтому в подавляющем большинстве случаев экономически выгодно:

— «глушить» гармоники прямо возле генерирующей их нагрузки (или группы нагрузок), что снижает мощность АФКУ и локализует «токи-противотоки» на небольшом участке, освобождая силовую сеть выше места подключения от гармонических искажений;

— настраивать АФКУ на работу не со всем возможным спектром искажающих частот, а только с интенсивными гармониками.

Т.е. желательно исключить гармоники малозначимые по амплитуде и/или частоте (не влияющие на передачу по сети управляющих сигналов), но суммарно «оттягивающие» на себя часть мощности АФКУ.

И вот здесь важно решить вопрос стоит ли тратить очень дорогую мощность АФКУ на:

• гармоники первых порядков (3, 5, 7, 9, 11), которые в принципе можно блокировать дополнительно установленным недорогим пассивным фильтром (дросселем или индуктивно-емкостным);
• компенсацию реактивной мощности на фундаментальной частоте, с чем может справиться недорогая (в сравнении с блоком АФКУ) установка УКРМ или тиристорная УКРМТ.
  Справка: На практике использование АФКУ для «гашения» реактивных токов (или реактивной мощности) оправдано, если:
• компенсируется группа оборудования, сбрасывающего в сеть реактивные токи только емкостного, или и индуктивного, и емкостного характера, т.е. здесь установки с конденсаторными батареями просто неприменимы;
• нагрузка так быстро меняет свои вольтамперные характеристики (ВАХ), что даже быстродействующая УКРМТ с тиристорными ключами не успевает среагировать на изменения и в сети постоянно дежурят» реактивные токи или емкостного (при перекомпенсации) или индуктивного (при недокомпенсации) характера;
• производственно-технологических процесс не допускает даже малейших колебаний напряжения, фликера, бросков тока и пр. негативов, обусловленных недо- или перекомпенсацией реактивной мощности и характерных для УКРМ, УКРМТ с батареями-ступенями фиксированной емкости.

Физическая аналогия работы активного фильтра на участке силовой сети.

Условно работу активного фильтра на участке силовой сети можно сравнить с организацией выращивания эко продуктов (овощей, зелени) в масштабах большого разнопланового фермерского хозяйства. Использование органических удобрений, современных технологий и оборудования для культивации и т.д. (аналог современного оборудования с нелинейными ВАХ) создает отличные условия для выращивания растений (аналог производственно-технологического процесса) и, попутно для жизнедеятельности вредителей, паразитов, сорняков, болезнетворных микроорганизмов и пр. (аналог гармоники).

Масштабное использование пестицидов недопустимо и поэтому приходится бороться с вредителями практически вручную и локально, а для этого нанимать штат сотрудников (АФКУ) непосредственно для этого участка, причем можно:

• нанять большое количество людей для борьбы со всеми типовыми вредителями в регионе (выбор АФКУ по мощности нагрузки), но это дорого и вряд ли целесообразно, поскольку на конкретном участке земли в конкретных условиях действительно опасными для определенного типа растений могут быть только некоторые виды вредителей;
• проанализировать наличие действительных угроз для конкретного участка, растений, условий и исходя из этого укомплектовать штат полевых рабочих (выбор АФКУ по данным измерений и спектрального анализа сети на наличие и интенсивность гармоник);
• уменьшить штат сотрудников, если типовые угрозы для жизни растений (полевые мыши, птицы, листоеды и т.д. – аналог гармоники первых порядков) превентивно устранить другими агротехническими или организационными мероприятиями (ранневесеннее культивирование, посадка рядом с участком более «вкусных» растений с последующей обработкой, акустические, ультразвуковые отпугиватели и пр. – аналог пассивные фильтры гармоник).

Т.е. в идеале нужно определить какие угрозы действительно нанесут вред определенной культуре на конкретном участке и под их устранение нанимать людей, которым под силу любые работы (собирать жуков, гусениц, локально обрызгивать растения, рыхлить почву) так же, как и АФКУ в плане генерации противотоков на любых превентивно заданных частотах.

Источник

Гармоники в электрических сетях: причины, источники, защита

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине.

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные. То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие.

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник. Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

• Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
• Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
• Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

• по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
• по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
• по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:

• Сопутствующий нагрев, выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и.т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
• Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
• Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
• Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
• Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
• Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
• Потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник.

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке R_Н.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров, их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Источник

Применение активного кондиционера гармоник

Активный кондиционер гармоник (ActiveHarmonicConditioner — AHC) в отличие от магнитного синтезатора подключается не последовательно с нелинейной нагрузкой, а параллельно ей (рисунок 9).

Рисунок 9. Схема включения активного кондиционера гармоник (АКГ).

Принцип действия активного кондиционера гармоник (АКГ) основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Ток нелинейной нагрузки содержит основную ( i₁ ) и высшие ( i_n ) гармоники:

Ток АКГ содержит противофазные току нагрузки высшие гармоники:

В результате ток, потребляемый от источника, практически синусоидален, так как содержит только основную (первую) гармонику:

Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а АКГ покрывает практически весь спектр высших гармоник от 2-ой до 25-ой. АКГ может быть установлен в любой точке распределительной сети и способен компенсировать высшие гармоники от одной или нескольких нелинейных нагрузок.

Модели АКГ, выпускаемые MGE UPS SYSTEM под названием SineWave, могут обеспечить компенсацию действующих значений высших гармоник от 20 до 120 А.

В таблице № 4 приведены действующие значения и коэффициенты искажения токов в системе с АКГ при различных нагрузках UPS с трехфазным мостовым выпрямителем, а на рис. 8 изображены соответствующие кривые токов.

Таблица 3.

Ток нагрузки Inl, A	Ки нагрузки Киnl, %	Ток АКГ Iahc, A	Ток источника Ips, A	Ки источника Kиps, %
4,6
3,6

Рисунок 10. Кривые токов в системе с АКГ:

a)	ток нагрузки;
б)	ток АКГ;
г)	ток источника.

Связь между действующими значениями токов нагрузки и источника устанавливается следующим выражением:

В первом приближении можно считать, что действующие значение тока АКГ, необходимое для компенсации высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой в распределительную систему определяется следующим соотношением:

Повышенное значение тока, получаемое из выражения, объясняется тем, что АКГ обеспечивает компенсацию гармоник не выше 25-ой и может быть настроен на компенсацию гармоник ниже указанного порядка, тогда как в составе тока нагрузки могут присутствовать гармоники более высокого порядка.

Блок-схема АКГ "SineWave" приведена на рисунке 11. В состав АКГ входят следующие узлы: IGBT-преобразователь, устройство управления и контроля, блок защиты и мягкого пуска и токовые датчики. Преобразователь АКГ содержит трехфазный инвертор на IGBT транзисторах, коммутируемых с тактовой частотой 16 КГц, два конденсатора С1, С2 и линейные дроссели в каждой фазе (Др1). Устройство управления и контроля состоит из блока анализа гармоник тока, блока установки номеров компенсируемых гармоник, блока управления преобразователем и мониторинга.

Рисунок 11. Блок-схема АКГ "SineWave" (условно изображена силовая цепь одной фазы).

На анализатор гармоник поступают сигналы с быстродействующих датчиков тока нагрузки (ДТ1) и тока АКГ (ДТ2). Блок защиты и мягкого пуска содержит быстродействующие предохранители и с помощью контактора и балластного сопротивления обеспечивает плавный заряд конденсаторов С1, С2 в период включения АКГ.

В таблице № 4 приведены некоторые технические характеристики АКГ "SineWave" [ 11 ].

Taблица 4.

Пределы входного напряжения, В	400 -20%, +15%
Номиналы действ. значений компенсируемых гармоник тока, A	20, 30, 45, 60, 90, 120
Динамические возможности, кА/с, более	100-400 при 20-120 А
Время переходного процесса, мс
Потери, кВт, не более	1,0-5,2 при 20-120 А

Применение АКГ обеспечивает значительное снижение коэффициента амплитуды тока в распределительной сети по сравнению с существующими коэффициентами тока нелинейных нагрузок. Это, как следствие, способствует увеличению коэффициента мощности системы и уменьшению потерь на участках распределительной сети.

Различают следующие способы компенсации гармоник с использованием АКГ:

• локальный (индивидуальный);
• глобальный (общий);
• многоуровневый (распределенный);
• каскадный (последовательное включение);
• мультикомпенсационный.

При локальном способе обеспечивается защита критичных нагрузок, подключенных в распределительную сеть, от повышенного уровня гармоник, генерируемых одной из нелинейных нагрузок. В этом случае АКГ подключается как можно ближе к наиболее мощной нелинейной нагрузке (рисунок 12 а).

Для увеличения номинального значения тока компенсации и (или) повышения надежности системы возможно параллельное включение АКГ на одну нелинейную нагрузку (рисунок 12 б). SineWave допускает работу в параллель до 4-х модулей. При этом, если один из модулей выходит из строя или отключается, то остальные остаются в работе.

При глобальном способе обеспечивается компенсация гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, которые подключены к силовому фидеру электропитания и расположены в других зданиях, цехах или зонах технологического процесса. В этом случае АКГ должно подключаться к главному распределительному щиту (рисунок 12 в).

В случае группы нелинейных нагрузок целесообразен мультикомпенсационный способ, при котором один модуль АКГ способен компенсировать гармоники от трех нелинейных нагрузок (рисунок 12 г).

Каскадный способ включения АКГ позволяет избежать взаимовлияние различных кондиционеров в системе (рисунок 12 д). Первый кондиционер (АКГ1) обеспечивает защиту от гармоник мощной нелинейной нагрузки, а второй кондиционер малой мощности (АКГ2) осуществляет компенсацию гармоник от других маломощных нелинейных нагрузок. Каскадное включение увеличивает степень компенсации гармоник тока при изменении нагрузки при использовании АКГ с меньшими номинальными значениями тока компенсации.

Многоуровневый способ предусматривает подключение АКГ на нескольких уровнях распределительной сети (рисунок 12 е), что может быть сведено к каскадному способу включения АКГ.

а) Локальное включение АКГ.

б) Параллельное включение АКГ.

в) Глобальное включение АКГ.

г) Мультикомпенсационное включение АКГ.

д) Каскадное включение АКГ.

е) Многоуровневое включение АКГ.

Рисунок 12 Способы компенсации гармоник.

Заключение

Следует отметить, что для точного решения задачи по кондиционированию гармоник требуется:

• знание условий эксплуатации и технические характеристики источников энергии, распределительной системы и автоматов защиты;
• точного знания характеристик нагрузок (гармонического состава токов, потребляемой мощности, места их подключения в системе электропитания);
• использование специальных измерительных приборов для экспериментального определения гармонического состава тока в различных участках распределительной системы электропитания;
• проведение анализа и моделирования изучаемой системы электропитания.

Комплекс этих мероприятий необходим для правильного проектирования системы электропитания и выбора требуемой спецификации оборудования, способной обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС), соответствующую современным международным стандартам.

Источник

SineWave

SineWave полностью соответствует группе действующих трех основных стандартов:

• стандарты по оборудованию:
  • IEC 61000-3-2 или EN 61000-3-2
  • IEC 61000-3-4 или EN 61000-3-4
  • IEC 61000-2-2 и ICLES Рекомендации (Международная конференция по крупным электрическим сетям)
  • IEC 61000-2-4.

  Экономия энергии

  SineWave также корректирует cosφ.

  Меньший ток и cosφ, близкий к единице, означает уменьшение реактивной составляющей мощности потребления и полной мощности в целом.

  Простая интеграция

  • SineWave — самый маленький фильтр на рынке. Он может быть закреплен на стене или смонтирован в вводном распределительном шкафу;
  • SineWave может соединяться параллельно, позволяя увеличивать мощность без отключения нагрузки;
  • SineWave автоматически адаптируется к однофазной или трехфазной нагрузке: компьютеры, частотные регуляторы, и т. д. Он совместим с любой системой нейтрали.

  Как работает кондиционер?

  Активный кондиционер анализирует гармоники тока, отбираемые нагрузкой, и затем инжектирует такие же токи в сеть с подходящей фазой.

  В результате гармонические токи полностью нейтрализуются в точке реинжекции. Это означает, что гармоники не текут обратно на вход и не расходуют на себя энергию из сети.

  Параметры инсталляции оптимизированы под необходимый размер

  • меньше сечение кабелей и размер автоматов защиты,
  • Трансформаторы, конденсаторы и генераторы меньше перегружаются.

  Стандартные функции

  • полная или выборочная компенсация гармоник, от НЗ до Н25, настраивается;
  • компенсация (cos φ) настраивается, контроль параметров типов нагрузки: компьютеры, выпрямитель, и т. д.;
  • IGBT-технология и DSP-контроль цепей;
  • 3 светодиода состояния;
  • многоязыковой дисплей (7 языков);
  • система диагностики и измерений;
  • конфигурация и меню параметрического контроля;
  • удаленный контроль;
  • резервирование и параллельное подключение;
  • широкий выбор измерительных трансформаторов, и т. д.

  Коммуникационные опции

  Плата Jbus/Modbus
  Для интеграции в систему управления зданием Building Management Systems.

  Информационная плата состояния
  Передача информации по сухим контактам и экстренное отключение.

  MGE PowerServices™ 1 год гарантии.

  В какой точке объекта следует подключать кондиционер ?

  Устранение гармоник требует глубоких знаний об электрической схеме объекта.

  На новых объектах мы рекомендуем провести подсчет общей картины гармоник в основных точках системах на этапе проектирования.

  В уже построенных объектах часто очень важно вызвать эксперта-аудитора электрической сети для проведения и подготовки полной диагностики объекта

  • Или обеспечить соответствие стандартам
  • Или уменьшение уровня загрязнения внутри системы питания объекта

  Технические характеристики
  Модель	SW20	SW30	SW45	SW60	SW90	SW120
  Производительность по каждой фазе	20 Arms	30 Arms	45 Arms	60 Arms	90 Arms	120 Arms
  Производительность по нейтрали (1)	60 Arms	90 Arms	135 Arms	180 Arms	270 Arms	360 Arms
  Вход АС
  Номинальное напряжение (2)	400 B, – 20/+ 15%
  Номинальная частота	50Гц, 60 Гц, ±8%
  Количество фаз	3 фазы с / без нейтрали (компенсация возможна на однофазных или несбалансированных нагрузках)
  Измеряющие трансформаторы токов	номинал от 300/1 до 4000/1
  Технические характеристики
  Компенсируемые токи гармоник	Порядки от Н2 до Н25, глобальная или выборочная компенсация
  Уменьшение гармоник	THDI нагрузки / THDI системы больше чем в 10 раз, при номинальном режиме
  Компенсация cos φ	ДО 1,0
  Время отклика	<40 мсек
  Перегрузка	Ограничение до номинального тока, непрерывно в пределах ограничения
  Пусковой ток	<двойной номинальный пиковый ток
  Тепловые потери	1000 Вт	1300Вт	2100Вт	2600 Вт	4200 Вт	5200 Вт
  Уровень шума ( ISO 3746)	<55dBA	<55dBA	<60dBA	<60dBA	<65dBA	<65dBA
  Цвет	RAL9002
  Окружающие условия
  Рабочая температура	. +40 ‘С непрерывно, <25 ‘С рекомендуется
  Относительная влажность	0…+95% без конденсата
  Высота	<1000м
  Соответствие стандартам
  Конструкция и безопасность	EN 50091-1 , сертификаты РОСТЕСТ, ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ
  Дизайн	IEC 146
  Защита	IP 30 согласно IEC 529
  Электромагнитная совместимость
  Кондуктивное и магнитное излучение	EN 55011 уровень А
  Защита от электрических разрядов	IЕС 1000-4-2 уровень 3
  Защита от электромагнитных полей	IЕС 1000-4-3 уровень 3
  Защита от импульсных волн	IEC 1000-4-4 и IEC 1000-4-5 уровень4

  1 – Максимальная производительность на компьютерной нагрузки и на сбалансированной. 2 – Другие напряжения – 208В, 220В, 480В – по предварительному заказу. 3 – фазной нагрузке.

  Источник