Гармонические искажения

Гармонические искажения

Гармонические искажения главного источника энергии – явление, вызванное переключениями, особенно высокоскоростными переключателями мощности, которые находятся в приводах переменной частоты (Variable Frequency Drives). Эти высокоскоростные переключения вызывают кратные базовой частоте энергосистемы гармонические токи, которые обычно вызываются нелинейной нагрузкой, такой как цепи преобразователей мощности АС/DC в приводах переменной частоты. Например, при базовой частоте 50 Гц 5-я гармоника – 250 Гц, 7-я – 350 Гц и т. д. Их называют «целые гармоники», т. е. происходит точное умножение базовой частоты.

Среднее значение всех гармоник выражает коэффициент нелинейных искажений КНИ (Total Harmonic Distortion, THD). С ростом использования больших приводов переменной частоты опасность от эффекта высоких значений КНИ также выросла. Классификационные общества используют величину КНИ 5% как предельную для использования на судах.

Основные эффекты и опасности от высокого уровня КНИ:

При хорошей конструкции и правильной установке оборудования проблема КНИ может быть предотвращена.

Так как наибольший источник КНИ – большие приводы переменной частоты, выбор правильного для данной сети типа привода может дать большое преимущество. Мощность генераторов, питающих систему, и их реактивное сопротивление Xd” – параметры для расчета КНИ.

                        Полное гармоническое искажение

Рисунок показывает влияние разных типов приводов переменной частоты на КНИ. В таблице величины, использованные при расчете. По результатам видно, что приводы с активным выпрямителем имеют самый низкий уровень нелинейных искажений.

Однонаправленные выпрямители (янтарный цвет)

Трёхфазный переменный ток от шинопровода распределительного щита выпрямляется шестью диодами в 6 постоянных токов, которые собираются вместе, образуя пульсирующий постоянный ток (см. рисунок). Этот постоянный ток – сумма трёх фаз, где отрицательная часть каждого синуса сделана позитивной. Образуется постоянный ток с 6 пульсами на исходный цикл. Возможности отдавать мощность обратно на распределительный щит нет        . Этот постоянный ток трансформируется обратно в трёхфазный переменный (с изменяемым напряжением и частотой) с помощью инверторов.

Однонаправленный выпрямитель (желтый)

Между шиной и выпрямителем, за главным разъединителем, установлены два трансформатора с двойным выходом. У таких трансформаторов две вторичных обмотки, одна соединена «звездой», а другая «треугольником», то есть каждый вырабатывает 6 синусоидальных кривых. Выход одного из трансформаторов сдвинут по фазе на 30°, напряжение менять не обязательно. Этот набор производит 12 синусоидальных токов. Они выпрямляются, как в предыдущем случае, и образуют постоянный ток с 12 пульсами. Этот DC ток превращается инверторами в переменный ток нужного напряжения и частоты. Выходной ток используется двумя потребителями, работающими в фазе. Искажения на главном шинопроводе значительно уменьшены.

Однонаправленный выпрямитель (синий)

Такой же, как предыдущий, только второй трансформатор сдвинут на 15°. Потребители, аналогично предыдущему случаю, получают 12-ти пульсовый ток, но со сдвигом в 15° друг относительно друга. Искажения на шинопроводе теперь 24 пульса, еще меньше.

Однонаправленный выпрямитель (другой синий)

Каждый инвертор запитан от двух трансформаторов с двойным выходом и выдаёт 24 пульса на каждого из потребителей, дальнейшее снижение искажений.

Конвертеры с активным выпрямителем (Active Front End Converter)

Это значит, что на входе не просто выпрямитель, который управляется входящим напряжением, а отдельное управляемое устройство. Оно может остановить или пропустить напряжение без ограничений, присущих выпрямителю, то есть независимо от входящего напряжения. Эти устройства – тиристоры, транзисторы, IGBT транзисторы (биполярные транзисторы с изолированным затвором) и другие – могут передавать мощность от распределительного щита потребителю и обратно, от потребителя на щит. «Активный» также означает, что конвертер берёт энергию от распределительного щита управляемым способом, таким образом уменьшая гармоники. Трансформаторы нужны, только если напряжение значительно отличается от требуемого.

Гармоники, созданные конвертерами, питающими потребителей, проходя через распределительный щит, поглощаются генератором. Импеданс генератора – параметр, показывающий возможность генератора абсорбировать гармоники. При низком импедансе будет поглощаться больше гармоник, чем при высоком, но при этом возможны более высокие токи КЗ, требующие более дорогого распределительного оборудования.