Мерцание и качество питания

В этом блоге рассматривается вопрос о мерцании, которое можно рассматривать как вопрос качества электропитания или электромагнитной совместимости (ЭМС) в зависимости от вашей точки зрения. Мы рассмотрим, могут ли приводы с регулируемой скоростью вызывать мерцание, а также где они могут помочь решить проблему мерцания.

«Мерцание» относится к эффекту электрического освещения при быстром изменении напряжения питания. Это может быть что угодно:от случайных одиночных провалов или вспышек при внезапном подключении или отключении большой нагрузки до раздражающего быстрого мерцания, если напряжение модулируется на частоте в диапазоне, в котором человеческий глаз и мозг особенно чувствительны, что является от 0,5 Гц до 20 Гц.

Мерцание иногда путают с гармониками и другими проблемами качества электроэнергии. Гармоники по определению находятся на частотах, кратных частоте источника питания, и они слишком высоки, чтобы глаз мог их отреагировать. Однако как фликер, так и гармоническое напряжение вызваны токами нагрузки, влияющими на напряжение из-за импеданса источника питания, поэтому в местах с высоким импедансом питания из-за длинной линии питания или какого-либо другого фактора могут возникнуть проблемы как с гармоническим напряжением, так и с фликером. происходят вместе.

На рис. 1 показана преувеличенная форма волны с имитацией мерцания на одной пятой частоте питания. Напротив, на рис. 2 показана смоделированная пятая гармоника. На рисунке 2 каждый цикл искажен, но имеет одинаковую форму, поэтому мерцания не происходит.

Поставщики электроэнергии должны гарантировать, что качество их электроэнергии соответствует назначению, и у них есть рекомендации по фликеру. Как правило, они проводят измерения только в случае жалобы, редко проводятся какие-либо плановые испытания установок, за исключением некоторых специальных систем, таких как ветряные турбины.

Электротехнические изделия, которые производятся в больших количествах, должны соответствовать стандартам на мерцание. Наиболее известным международным стандартом на продукцию является IEC 61000-3-3 или EN 61000-3-3 для Европы, в котором приводятся тесты и ограничения для продуктов с номинальным током до 16 А на фазу. В Европейском Союзе этот стандарт гармонизирован в соответствии с Директивой по электромагнитной совместимости, поэтому оборудование, входящее в ее сферу действия, обычно должно соответствовать ей, чтобы иметь маркировку CE и быть размещенным на рынке ЕС. Для номинального тока до 75 А применяется IEC 61000-3-11. Стандарты имеют строгие ограничения в чувствительном диапазоне частот повторения от 0,5 Гц до 20 Гц, но не выше 25 Гц.

Все стандарты мерцания требуют измерения и оценки, которые учитывают динамическое поведение электрического света и чувствительность человеческого глаза и мозга. Кривые мерцания (см. далее) основаны на лампах накаливания с вольфрамовой нитью. Они довольно чувствительны к напряжению из-за квадратичного соотношения напряжения и мощности. С другой стороны, тепловая масса означает, что они имеют тенденцию сглаживать быстрые колебания. Конечно, сейчас лампы накаливания становятся редкостью. Люминесцентные лампы имеют другую характеристику с меньшим сглаживающим эффектом. Светодиодные лампы часто имеют регулятор, поэтому на них не влияет напряжение, за исключением случаев, когда они предназначены для использования с диммером. Стандарты могут быть обновлены в будущем, чтобы отразить поведение современных ламп, но стоимость изменений, связанных с заменой испытательного оборудования и повторным тестированием продуктов, нежелательна. Вполне вероятно, что ограничения, основанные на использовании ламп накаливания, останутся с нами еще на несколько лет вперед.

Интергармоники

Интергармоники — это нежелательные частоты, которые не являются целыми кратными частоте питания, поэтому они лежат между гармониками в спектре. Если они близки к истинной гармонике, они могут привести к кажущейся модуляции напряжения питания. В простой резистивной нагрузке, такой как лампа накаливания, они не вызывают мерцания, потому что их частота высока, а лампа чувствительна только к скользящему среднему значению среднеквадратичного значения. Напряжение. Однако выпрямитель или другая нелинейная нагрузка могут генерировать частоты суммы и разности, которые могут включать низкие частоты, если интергармоника близка к целому кратному частоте питания. На рис. 3 показан пример интергармоники порядка 5,2. Пиковая амплитуда явно модулируется, но среднеквадратичное значение напряжения нет, и это не будет измеряться как мерцание. Такая форма сигнала может возникать с рекуперативными приводами или другими контроллерами активной мощности, где частота переключения не синхронизирована по фазе с источником питания.

Причины мерцания

Мерцание всегда вызвано изменением тока, потребляемого от источника питания, что приводит к изменению напряжения питания, которое затем влияет на другие нагрузки, включая освещение. Существует много возможных источников, в списке ниже показаны некоторые из наиболее распространенных.

Отдельные события:

1. Прямой пуск двигателей. Это, безусловно, самая распространенная причина одиночных провалов напряжения. Асинхронный двигатель потребляет в 3-5 раз больше номинального тока при пуске, и влияние на напряжение усугубляется тем фактом, что пусковой ток отстает по фазе от напряжения, так что падение напряжения на импедансе питания, которое обычно является преимущественно индуктивным , больше, чем для резистивной нагрузки.
2. Запуск больших электронных устройств, таких как приводы, при пусковом токе заряда конденсатора
3. Запуск больших трансформаторов с намагничивающим пусковым током
4. Запуск компрессоров или насосов с противодавлением, вызывающим высокий пусковой крутящий момент.

Частые случайные события:

1. Дуговые печи
2. Дуговые сварщики
3. Оборудование, подверженное частым пиковым нагрузкам, напр. миксеры, прессы и т. д.

Периодические или почти периодические события:

1. Автоматические аппараты для точечной сварки
2. Поршневые насосы или компрессоры или аналогичные пульсирующие нагрузки.
3. Термостаты или другие контроллеры, работающие за счет переключения нагрузки, особенно с полупроводниковыми переключателями, которые могут срабатывать часто.
4. Тиристорные или симисторные контроллеры импульсного действия

Влияние приводов с регулируемой скоростью на мерцание

Сам диск

Единственный способ, которым привод может вызвать мерцание сам по себе, - это пусковой ток зарядки конденсатора при подаче питания. Приводы Control Techniques сконструированы таким образом, что пусковой ток не превышает номинальный входной ток, поэтому падение напряжения не превышает падение напряжения, вызванное нормальной работой при номинальной мощности.

Система управления

Если привод находится в системе, в которой привод генерирует быстро меняющуюся выходную мощность, это может вызвать мерцание. Это может быть вызвано запрограммированной периодической работой или предельной стабильностью контура управления с обратной связью. Любая система управления должна быть проверена, чтобы убедиться, что она не вызывает чрезмерного мерцания.

В машине с несколькими осями и быстрыми периодическими движениями можно организовать управление таким образом, чтобы пики мощности возникали последовательно. Это может умножить частоту мерцания на количество осей, что, если она превысит 25 Гц, может устранить проблему.

Нагрузка

Запуск двигателя

Привод полностью исключает внезапное падение напряжения, вызванное запуском двигателя. Мало того, что частота двигателя и напряжение нарастают контролируемым образом, так что ток двигателя ограничен, но также входной ток привода пропорционален выходной мощности, а не выходному току, поэтому входной ток увеличивается только по мере того, как двигатель скорость увеличивается. Есть приложения, в которых привод имеет смысл исключительно из-за его преимущества при запуске, не вызывая чрезмерного падения напряжения, если альтернативой будет дорогостоящее усиление системы питания.

Пульсирующие нагрузки, такие как поршневые насосы

Привод имеет очень ограниченную запасенную энергию в конденсаторе звена постоянного тока, недостаточную для сглаживания цикла мерцания, поэтому, если мощность нагрузки колеблется, входной ток привода колеблется таким же образом. Если не будут приняты специальные меры, привод не будет компенсировать колебания нагрузки.

Обычно диск просто не влияет на уровень мерцания, вызванного пульсирующей нагрузкой, но диск может усугубить этот эффект :

• Во-первых, уменьшение скорости может снизить частоту пульсации ниже критической отметки 25 Гц, при которой мерцание становится заметным.
• Во-вторых, если система привода сконфигурирована для точного управления скоростью при пульсирующем крутящем моменте нагрузки, это может усилить колебания мощности, поскольку предотвращает замедление и ускорение двигателя в цикле крутящего момента. Это уменьшает пользу накопленной энергии в инерции машины, включая маховик, если он установлен. Если нет особой причины контролировать скорость непосредственно в пределах цикла крутящего момента, не рекомендуется использовать регулирование скорости с обратной связью или компенсацию скольжения при пульсирующей нагрузке. На самом деле лучше позволить скорости изменяться в зависимости от крутящего момента, чтобы использовать запасенную механическую энергию.

Если необходимо использовать управление скоростью с обратной связью, лучше всего реализовать преимущественно интегральный регулятор с низким коэффициентом усиления. Таким образом, средняя скорость регулируется точно, но контроллер не сопротивляется естественным периодическим изменениям в пределах цикла, вызванным проскальзыванием асинхронного двигателя. Это предложение кажется нелогичным, поскольку мы склонны думать, что привод с регулируемой скоростью обеспечивает быстрое и точное управление скоростью, но на самом деле быстродействующее управление снижает преимущество маховика или другой инерции в накоплении энергии.

Приведенное выше обсуждение относится к асинхронному двигателю. В двигателе с постоянными магнитами скорость жестко регулируется по своей природе, а пульсации крутящего момента напрямую отражаются как входная мощность без какой-либо возможности проскальзывания ротора, что приводит к некоторому снижению. В приводе можно запрограммировать специальный алгоритм управления, который преднамеренно позволяет скорости динамически падать по мере увеличения крутящего момента в пределах цикла вращения, сохраняя при этом долговременную среднюю скорость на желаемом уровне. Это имеет тенденцию поддерживать постоянную мощность (мощность =крутящий момент x скорость), и именно мощность определяет входной ток. Control Techniques имеет для этого запатентованное приложение. Вполне возможно, что это может дать полезную экономию средств при проектировании оборудования в некоторых приложениях, например, многоцилиндровый поршневой насос или компрессор может быть заменен одноцилиндровым.

Ограничения мерцания

Мерцание измеряется с помощью «мерцания», определенного в стандарте IEC 61000-4-15. Ограничения для оборудования установлены в таких стандартах, как IEC 61000-3-3 и IEC 61000-3-11.

Мерцание измеряется колебаниями напряжения питания. Для испытания продукта испытательная система должна включать смоделированное сопротивление сети, которое определено в стандарте. Пределы в IEC 61000-3-3 основаны на питании 230 В 50 Гц с импедансом (0,4 + j0,25) Вт, что имитирует очень «слабое» питание, т. е. с малым током короткого замыкания.

На рис. 4 показан предел простых повторяющихся прямоугольных изменений напряжения согласно IEC 61000-3-3 для источника питания 230 В, 50 Гц. Ось частот представляет полные циклы в секунду, т. е. каждый цикл состоит из двух равных, но противоположных шагов. Существуют дополнительные правила для оценки других шаблонов. На рисунке четко показаны низкие допустимые уровни для критического диапазона частот примерно от 0,5 Гц до 20 Гц.

Уменьшение мерцания

Мы уже рассматривали способы, с помощью которых использование привода с регулируемой скоростью может помочь уменьшить мерцание при запуске двигателя или пульсирующей нагрузке.

Обычные методы включают использование многоцилиндровых поршневых насосов для сглаживания крутящего момента и маховиков.

Там, где неизбежны большие пульсации мощности, подключение к источнику питания должно быть выполнено электрически близко к источнику питания на месте, чтобы избежать падения напряжения в кабелях, используемых совместно с другими нагрузками. Цепи освещения также должны быть отдельно подключены рядом с вводом питания.

В крайних случаях может потребоваться установка нового источника питания с меньшим импедансом. Ввиду высокой стоимости стоит изучить возможность творческого использования приводов с регулируемой скоростью, чтобы избежать затрат.