Понимание мерцания: влияние на качество энергии и как ВЧП помогают

Эта статья рассматривает тему мерцания (flicker), которое можно рассматривать как вопрос качества энергии или электромагнитной совместимости (ЭМС) в зависимости от точки зрения. Мы рассмотрим, могут ли ВЧП вызывать мерцание и где они могут помочь решить проблему мерцания.

«Мерцание» — это эффект на электрическое освещение при быстром изменении напряжения питания. Это может быть от случайного единичного провала или вспышки при внезапном включении/отключении большой нагрузки до раздражающего быстрого мерцания, если напряжение модулируется на частоте, где человеческий глаз и мозг особенно чувствительны — около 0,5–20 Гц.

Мерцание иногда путают с гармониками и другими проблемами качества энергии. Гармоники по определению имеют частоты, кратные частоте сети, и они слишком высоки для реакции глаза. Однако и мерцание, и гармонические напряжения вызваны токами нагрузки, влияющими на напряжение из-за импеданса источника питания, поэтому в местах с высоким импедансом питания (из-за длинной линии питания или другого фактора) проблемы гармонических напряжений и мерцания могут возникать вместе.

Рис. 1 показывает преувеличенную форму волны с смоделированным мерцанием на 1/5 частоты сети. Напротив, рис. 2 показывает смоделированную 5-ю гармонику. На рис. 2 каждый цикл искажен, но одинаковой формы, поэтому мерцания не возникает.

Электросетевые компании должны обеспечивать качество энергии, пригодное для назначения, и имеют рекомендации по мерцанию. Обычно они проводят измерения только при жалобах, регулярного тестирования установок редко, за исключением специальных систем, таких как ветряные турбины.

Электрические изделия, производимые большими партиями, могут иметь продуктовые стандарты по мерцанию. Самый известный международный стандарт — IEC 61000-3-3 (или EN 61000-3-3 для Европы), дающий испытания и пределы для изделий до 16 А на фазу. В ЕС этот стандарт гармонизирован под Директиву ЭМС, поэтому оборудование в его области действия обычно должно соответствовать ему для получения CE-марки и выхода на рынок ЕС. Для тока до 75 А применяется IEC 61000-3-11. Стандарты имеют строгие пределы в чувствительном диапазоне 0,5–20 Гц, но нет пределов выше 25 Гц.

Все стандарты по мерцанию требуют измерения и оценки с учетом динамического поведения ламп и чувствительности глаза и мозга. Кривые мерцания основаны на лампах накаливания с вольфрамовой нитью. Они довольно чувствительны к напряжению из-за квадратичной зависимости мощности от напряжения. С другой стороны, тепловая инерция сглаживает быстрые колебания. Конечно, лампы накаливания теперь необычны. Люминесцентные лампы имеют другую характеристику с меньшим сглаживанием. LED-лампы часто имеют стабилизатор, поэтому нечувствительны к напряжению, кроме случаев, когда они предназначены для работы с диммером. Стандарты могут быть обновлены в будущем для отражения поведения современных ламп, но затраты на замену испытательного оборудования и перетестирование изделий нежелательны. Вероятно, пределы на основе ламп накаливания останутся еще на несколько лет.

Межгармоники

Межгармоники — нежелательные частоты, не кратные частоте сети, лежащие между гармониками в спектре. Если они близки к истинной гармонике, могут вызывать видимую модуляцию амплитуды напряжения сети. В простой активной нагрузке как лампа накаливания они не вызывают мерцания, потому что их частота высока, а лампа чувствительна только к текущему среднему значению rms напряжения. Однако выпрямитель или другая нелинейная нагрузка могут генерировать суммарно-разностные частоты, которые могут включать низкие частоты, если межгармоника близка к целому кратному частоте сети. Рис. 3 показывает пример, где межгармоника порядка 5,2. Пиковая амплитуда визуально модулируется, но rms-напряжение нет, и это не измеряется как мерцание. Такая форма волны может возникать при регенеративных приводах или других активных контроллерах мощности, где частота коммутации не фазово зафиксирована относительно сети.

Причины мерцания

Мерцание всегда вызвано изменением тока, потребляемого от сети, приводящим к изменению напряжения сети, которое затем влияет на другие нагрузки, включая освещение. Ниже перечислены некоторые из более частых источников.

Одиночные события:

1. Прямой пуск двигателей от сети. Это самая частая причина одиночных провалов напряжения. Асинхронный двигатель потребляет 3–5 кратный номинальный ток при пуске, и эффект на напряжение ухудшается тем, что пусковой ток отстает по фазе от напряжения, поэтому падение напряжения в импедансе сети (обычно преимущественно индуктивном) больше, чем для активной нагрузки.
2. Включение крупных электронных устройств, таких как приводы, с впускным током зарядки конденсаторов
3. Включение крупных трансформаторов с впускным током намагничивания
4. Запуск компрессоров или насосов с противодавлением, вызывающим высокий пусковой момент

Частые случайные события:

1. Дуговые печи
2. Дуговая сварка
3. Оборудование с частыми тяжелыми пиковыми нагрузками, например, мешалки, прессы и т.д.

Периодические или почти периодические события:

1. Автоматические точечные сварочные аппараты
2. Поршневые насосы или компрессоры или подобные пульсирующие нагрузки
3. Термостаты или другие контроллеры, работающие путем коммутации нагрузки — особенно с твердотельными ключами, которые могут часто переключать.
4. Тиристорные или триаковые контроллеры с пакетной управлением (burst-firing)

Влияние ВЧП на мерцание

Сам привод

Единственный способ, которым привод сам по себе может вызвать мерцание — впускной ток зарядки конденсаторов при подаче питания. Приводы Control Techniques спроектированы так, что впускной ток не превышает номинального входного тока, поэтому провал напряжения не превышает того, что возникает при нормальной работе на номинальной мощности.

Система управления

Если привод находится в системе, заставляющей его генерировать быстро колеблющуюся выходную мощность, это может вызывать мерцание. Причина может быть в запрограммированной периодической работе или в граничной устойчивости контура обратной связи. Любая система управления должна оцениваться на предмет отсутствия чрезмерного мерцания.

В станке с множеством осей и быстрыми периодическими движениями возможно организовать управление так, что пики мощности происходят последовательно. Это может умножить частоту мерцания на число осей, что, если сдвигает её выше 25 Гц, может устранить проблему.

Нагрузка

Пуск двигателя

Привод полностью устраняет внезапный провал напряжения при пуске двигателя. Не только частота и напряжение двигателя рампово увеличиваются контролируемым образом, ограничивая ток двигателя, но и входной ток привода пропорционален выходной мощности, а не выходному току, поэтому входной ток рампово растет только по мере увеличения скорости двигателя. Существуют применения, где привод оправдан исключительно своей пользой при пуске без чрезмерного падения напряжения, если альтернатива — дорогое усиление системы питания.

Пульсирующие нагрузки, такие как поршневые насосы

У привода очень ограниченная запасенная энергия в конденсаторе постоянной цепи, недостаточная для сглаживания цикла мерцания, поэтому если мощность нагрузки колеблется, входной ток привода колеблется так же. Если не принимать специальные меры, привод не компенсирует колеблющуюся нагрузку.

Обычно привод просто не меняет уровень мерцания от пульсирующей нагрузки, но возможно, что привод ухудшит этот эффект:

• Во-первых, снижая скорость, он может понизить частоту пульсации ниже критические 25 Гц, где мерцание становится воспринимаемым.
• Во-вторых, если система привода настроена на жесткое управление скоростью при пульсирующем нагрузочном моменте, она может усилить колебание мощности, потому что предотвращает замедление и разгон двигателя в цикле момента. Это уменьшает пользу от запасенной энергии в инерции машины, включая маховик, если он есть. Если нет особой причины для жесткого управления скоростью внутри цикла момента, не рекомендуется использовать замкнутое управление скоростью или компенсацию скольжения с пульсирующей нагрузкой. Лучше позволить скорости варьироваться с моментом, чтобы использовать механическую запасенную энергию.

Если замкнутое управление скоростью обязательно, лучше реализовать преимущественно интегральный контроллер с низким усилением. Тогда средняя скорость контролируется точно, но контроллер не сопротивляется естественной периодической вариации внутри цикла, вызванной скольжением асинхронного двигателя. Это предложение контр-интуитивно, так как мы привыкли думать о ВЧП как о быстром и точном управлении скоростью, но на самом деле быстрое управление уменьшает пользу маховика или другой инерции в накоплении энергии.

Вышесказанное применимо к асинхронному двигателю. С двигателем с постоянными магнитами скорость изначально жестко регулируется, и пульсации момента напрямую отражаются как входная мощность без возможности скольжения ротора для снижения. Можно запрограммировать в привод специальный алгоритм управления, который намеренно позволяет скорости падать динамически при росте момента внутри вращательного цикла, сохраняя долгосрочную среднюю скорость на заданном значении. Это стремится держать мощность постоянной (мощность = момент × скорость), и именно мощность определяет входной ток. У Control Techniques есть запатентованное приложение для этого. Возможно, это даст полезную экономию в конструкции машины в некоторых применениях, например, многоцилиндровый поршневой насос или компрессор может быть заменен однодинным.

Пределы мерцания

Мерцание измеряется с помощью «мерцанометра» (flickermeter), определенного в стандарте IEC 61000-4-15. Пределы для оборудования устанавливаются в стандартах IEC 61000-3-3 и IEC 61000-3-11.

Измерение мерцания — это колебание напряжения сети. Для продуктового теста испытательная система должна включать смоделированный импеданс сети, определенный в стандарте. Пределы в IEC 61000-3-3 основаны на сети 230 В 50 Гц с импедансом (0,4 + j0,25) Ом, моделирующим очень «слабую» сеть, т.е. с малым током короткого замыкания.

Рис. 4 показывает предел для простых повторяющихся прямоугольных изменений напряжения из IEC 61000-3-3 для сети 230 В 50 Гц. Ось частоты представляет полные циклы в секунду, т.е. каждый цикл состоит из двух равных, но противоположных ступеней. Существуют дополнительные правила для оценки других паттернов. Рисунок четко показывает низкие допустимые уровни в критическом частотном диапазоне ~0,5–20 Гц.

Снижение мерцания

Мы уже рассмотрели способы, которыми использование ВЧП может помочь снизить мерцание от пуска двигателя или пульсирующей нагрузки.

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

Где большая пульсация мощности неизбежна, сетевое подключение должно быть электрически близко к вводу питания объекта, чтобы избежать падения напряжения в кабелях, общих с другими нагрузками. Цепи освещения также должны подключаться отдельно близко к вводу питания.

В экстремальных случаях может потребоваться новый ввод с более низким импедансом. Учитывая высокую стоимость, стоит изучить возможность, что творческое использование ВЧП может избежать этих затрат.