Введение в гармоники:часть 2

Во второй части этого мини-сериала Колин Харгис рассказывает об эффективном управлении гармониками. Первая часть доступна здесь.

Гармонические измерения

Отдельные гармонические токи или напряжения могут быть измерены и указаны в среднеквадратичных значениях. количества. Часто они могут быть выражены в процентах от основного. Приборы для измерения гармоник очень часто по умолчанию дают гармоники в процентах.

Необходимо соблюдать осторожность при оценке гармонических данных, особенно текущих данных. Если ток основной гармоники низкий из-за низкой мощности нагрузки, то гармоники, выраженные в процентах, будут высокими. Это может ввести в заблуждение. Данные, предоставленные для привода, будут иметь определенную мощность нагрузки. При уменьшенной нагрузке гармонические токи уменьшаются по абсолютной величине, но в процентах от основной частоты они увеличиваются.

Это показано на рис. 7. На рис. 7(а) показано, как ток и основные гармоники, такие как 5 ^th и 11 ^е увеличиваться по мере увеличения мощности. На рис. 7(b) показано, как основные гармоники и THD, выраженные в процентах от основной гармоники, падают по мере увеличения мощности нагрузки.

Рис. 7. Изменение тока и гармоник в зависимости от мощности нагрузки, выраженное в виде (а) абсолютных величин и (б) % основного тока

В приводе это может ввести в заблуждение, если пользователь не понимает, что входной ток является функцией мощности, то есть произведением крутящего момента и скорости на валу. Если привод развивает номинальный крутящий момент на пониженной скорости, может показаться, что он «усиленно работает», поскольку выходной ток близок к максимальному номинальному, а каскад инвертора передает этот ток и производит ожидаемые потери мощности в виде тепла. Однако фактическая пропускная способность невелика, поэтому входной ток также будет низким.

THD, VTHD, ITHD, коэффициент искажения и коэффициент мощности

Простым единственным параметром для измерения общего эффекта гармоник является полное гармоническое искажение, THD. Это отношение (в %) между среднеквадратичными значениями значение всех гармоник вместе, и основной. Для напряжения и тока он может называться VTHD и ITHD соответственно.

Опять же, следует соблюдать осторожность с ITHD, потому что при уменьшенной нагрузке он будет казаться высоким.

В энергетике коэффициент мощности обычно используется для измерения снижения полезной мощности, передаваемой переменным током, если он не находится в фазе с напряжением.

Когда ток и напряжение синусоидальны, это равно cos o.

При наличии гармонического тока и при условии, что напряжение остается синусоидальным, коэффициент мощности можно разделить на два фактора:

Если коэффициент искажения измеряет уменьшение полезного тока, вызванное искажением:

А коэффициент смещения измеряет уменьшение, вызванное фазовым сдвигом:

Значение этих факторов можно проиллюстрировать, рассмотрев двигатель, работающий либо напрямую от сети, либо с приводом:

Таким образом, двигатель имеет очень похожий коэффициент мощности в обоих случаях, а это означает, что ток полной нагрузки, потребляемый от сети, очень похож. Однако только с двигателем увеличение тока происходит исключительно из-за того, что ток отстает по фазе от напряжения, тогда как с двигателем и приводом это происходит в основном из-за наличия гармонического тока.

Коэффициент искажения и THD являются альтернативными показателями уровня искажения или общего количества гармоник. Они связаны следующей функцией:

(где THD выражается в дробях, а не в процентах)

Управление гармониками. Данные гармонического тока для продуктов.

В электроснабжающих организациях действуют правила защиты энергосистемы и потребителей электроэнергии от чрезмерных гармоник. Каждый опытный пользователь несет ответственность за соблюдение правил. В некоторых регионах, например в Европейском Союзе, излучение гармоник от электротехнических изделий, которые используются в больших количествах, регулируется законом об электромагнитной совместимости. Это означает, что домашним пользователям и пользователям малого бизнеса не нужно делать никаких специальных положений. Крупные промышленные пользователи специального оборудования должны убедиться в том, что их излучение гармоник не является чрезмерным. Чаще всего правила применяются, когда предлагается новая установка, для которой требуется новый источник питания от коммунального предприятия в качестве условия предоставления этого источника питания.

Правила различаются в зависимости от страны, но принципы одинаковы. Основные этапы показаны здесь:

• Энергетическая компания в конечном итоге должна убедиться, что гармоническое напряжение в ее источнике питания соответствует допустимому уровню. Например, в ЕС качество электроэнергии регулируется стандартом EN 50160. Как правило, он выделяет «бюджет» гармонического напряжения для каждого пользователя. Как объяснялось ранее, гармоническое напряжение вызвано гармоническим током, взаимодействующим с импедансом источника питания, и существующими гармониками, которые уникальны для каждого места. Это требует некоторых сложных расчетов, и измерения предсказывают это, что неоправданно для типичных промышленных установок.
• Поэтому, как правило, коммунальное предприятие имеет некоторые упрощенные правила, которые позволяют принимать гармонический ток до предела, который может зависеть от мощности подключения к источнику питания или от пикового или среднего потребления тока пользователем. Гораздо проще оценить ток, чем напряжение, путем добавления данных гармонического тока для всего соответствующего оборудования, подключенного к конкретной точке питания. По этой причине профессиональное оборудование, такое как приводы, которые генерируют значительный гармонический ток, должны иметь данные гармонического тока, доступные пользователю. Control Techniques предоставляет эти данные для всех своих приводов в спецификациях ЭМС, которые можно бесплатно получить по запросу.
• Для данной установки, если ток превышает допустимые пределы, необходимо либо принять технические меры для его снижения, либо провести более сложное исследование для оценки гармонического напряжения, вызванного установкой.
• Между тем, если все оборудование соответствует согласованным стандартам на одном рынке, например в ЕС, ни одна из описанных выше работ не требуется.

Стандарты

Для установок многие коммунальные службы используют свои собственные правила, поэтому существует очень много национальных стандартов. Одним из наиболее известных стандартов является IEEE 519.

Стандарты качества электроэнергии включают IEC 61000-2-4, который определяет «уровни совместимости», которые представляют собой максимально допустимые уровни гармоник, в данном случае для промышленных низковольтных источников питания. Стандарты МЭК не являются обязательными, но коммунальные предприятия часто используют ограничения, указанные в стандартах МЭК, в качестве отправной точки для своих собственных правил.

Для конечных продуктов существуют стандарты IEC IEC 61000-3-2 для оборудования с номинальным током до 16 А на фазу и IEC 61000-3-12 для токов до 75 А на фазу. Европейские версии, такие как EN 61000-3-12, являются обязательными для конечной продукции, размещаемой на рынке в ЕЭЗ.

Если привод встроен в оборудование, подпадающее под действие одного из этих стандартов, то вполне вероятно, что он будет вносить основной вклад в излучение гармоник. Для приводов Control Techniques необходимо использовать небольшие дополнительные входные дроссели, чтобы соответствовать EN 61000-3-12. Информация приведена в спецификациях ЭМС.

Влияние нагрузки

Распространенной проблемой, возникающей при проверке соответствия гармоник машин, содержащих приводы, является вопрос правильной номинальной мощности нагрузки. У нас были жалобы на продукты, не прошедшие тест, когда оказалось, что тестовая нагрузка была меньше номинальной нагрузки. Это может быть связано с тем, что приложение не использует все возможности привода, или с невозможностью полностью загрузить машину в испытательной лаборатории ЭМС. Часто бывает трудно создать реальную нагрузку в испытательной лаборатории, потому что машины часто предназначены для работы с большими, грязными или сложными материалами, которые нельзя принести в лабораторию. Чтобы обеспечить соответствие требуемому стандарту, необходимо соблюдать следующие требования:

1. Дополнительные входные дроссели должны быть выбраны так, чтобы они соответствовали предполагаемой максимальной продолжительной мощности нагрузки для приложения, которая не обязательно соответствует номинальной мощности привода.
2. Необходимо учитывать любое другое оборудование, генерирующее гармоники в машине.
3. Нагрузка во время испытания должна быть равна номинальной нагрузке. При необходимости на испытательном стенде должен быть предусмотрен какой-либо временный тормоз или другое нагрузочное устройство.

Уменьшение гармоник

Естественный уровень гармоник, генерируемых простым выпрямителем, можно значительно снизить за счет добавления индуктивности. Это может быть в звене постоянного тока привода или во входных линиях переменного тока. Большинство приводов мощностью выше 2,2 кВт используют трехфазное питание и содержат дроссели для обеспечения индуктивности. На рис. 8 показана типичная кривая тока для такого типа привода. Вы можете видеть, что форма волны намного лучше, чем на рисунке 1, хотя она далека от синусоидальной. В этом случае ITHD составляет около 50 %, а наихудшая гармоника — пятая, около 40 %.

Рис. 8. Типичная кривая входного тока для привода с трехфазным питанием и входными дросселями.

Этот уровень гармоник подходит для большинства применений в диапазоне мощностей от 3 кВт до нескольких сотен киловатт. Для чувствительных приложений и там, где общая мощность привода начинает приближаться к мощности источника питания, может потребоваться дополнительное снижение гармоник. В таблице ниже приведены основные доступные методы с некоторыми примечаниями об их относительных преимуществах.

Удушающие приемы

Некоторые производители приводов продвигают использование «качающегося дросселя». Качающийся дроссель - изобретение 1920-х годов, где он использовался в некоторых радиоприемниках для сглаживания постоянного тока. Дроссель выполнен со ступенчатым или профилированным воздушным зазором, так что при увеличении постоянного тока часть магнитопровода насыщается, а индуктивность уменьшается. В результате при малых токах индуктивность увеличивается, и это помогает противодействовать описанной выше проблеме ограничения гармоник в диапазоне мощностей нагрузки. Это связано с тем, что значение индуктивности адаптируется к нагрузке.

Качающийся дроссель может принести пользу производителю привода, поскольку он может позволить сократить запас дросселей с различными значениями для различных номиналов привода. Это может принести пользу пользователю, позволяя приводу соответствовать стандарту гармоник при пониженной нагрузке без необходимости в дополнительном дросселе. На практике довольно сложно спроектировать поворотный дроссель, работающий в широком диапазоне нагрузок, поэтому реальные преимущества невелики.