Продвинутое управление гармониками: Часть 2 — эффективные стратегии и измерения

Во второй части этой мини-серии Колин Харгис рассматривает эффективное управление гармониками. Часть 1 доступна здесь.

Измерение гармоник

Индивидуальные гармонические токи или напряжения могут быть измерены и указаны в rms-величинах. Часто они выражаются в процентах от фундаментальной. Очень часто инструменты измерения гармоник по умолчанию выдают гармоники в процентах.

Осторожность при оценке гармонических данных, особенно данных тока. Если фундаментальный ток мал, потому что мощность нагрузки мала, то гармоники, выраженные в процентах, будут казаться высокими. Это может быть вводящим в заблуждение. Данные, предоставленные для привода, будут при определенной нагрузочной мощности. При сниженной нагрузке гармонические токи уменьшаются в абсолютном значении, но как процент от фундаментального они увеличиваются.

Это проиллюстрировано на рис. 7. Рис. 7(а) показывает, как ток и основные гармоники (5-я, 11-я) увеличиваются с ростом мощности. Рис. 7(б) показывает, как основные гармоники и THD, выраженные в процентах от фундаментального тока, падают с ростом нагрузочной мощности.

Рисунок 7: Изменение тока и гармоник с нагрузочной мощностью, выраженное как (а) абсолютные величины и (б) % от фундаментального тока

В приводе это может быть особенно вводящим в заблуждение, если пользователь не осознает, что входной ток — функция мощности, то есть произведения крутящего момента и скорости на валу. Если привод выдает номинальный момент на сниженной скорости, он может казаться «работающим на пределе», потому что выходной ток близок к максимальному рейтингу, и инверторная стадия переносит этот ток и производит ожидаемые потери тепла. Однако фактическая пропускная мощность низка, и поэтому входной ток тоже будет низок.

THD, VTHD, ITHD, Коэффициент искажения и Коэффициент мощности

Простой единственный параметр для измерения общего эффекта гармоник — Общее Гармоническое Искажение (THD). Это отношение (в %) между rms-значением всех гармоник вместе и фундаментальной. Для напряжения и тока это может называться VTHD и ITHD соответственно.

Снова осторожность с ITHD, потому что на сниженной нагрузке он будет казаться высоким.

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

Когда ток и напряжение синусоидальны, это равно cos φ.

В присутствии гармонического тока, и предполагая, что напряжение остается синусоидальным, коэффициент мощности можно разложить на два множителя:

Power Factor = Distortion Factor × Displacement Factor

где коэффициент искажения измеряет снижение полезного тока из-за искажения:

Distortion Factor = 1 / √(1 + THD²)

а коэффициент смещения измеряет снижение из-за сдвига фазы:

Displacement Factor = cos φ

Смысл этих факторов можно проиллюстрировать, рассматривая двигатель, работающий либо прямо от сети, либо с приводом:

Так двигатель имеет очень похожий коэффициент мощности в обоих случаях, что означает, что полный нагрузочный ток, потребляемый от сети, очень похож. Однако с одним двигателем увеличенный ток полностью обусловлен тем, что ток отстает по фазе от напряжения, тогда как с двигателем и приводом это в основном из-за гармонического тока.

Коэффициент искажения и THD — альтернативные меры уровня искажения или общих гармоник. Они связаны следующей функцией:

Distortion Factor = 1 / √(1 + THD²)

(где THD выражена как дробь, не процент)

Управление гармониками. Данные гармонических токов для продуктов.

Электросетевые компании устанавливают правила для защиты энергосистемы и потребителей от чрезмерных гармоник. Каждый потребитель отвечает за соблюдение правил. В некоторых регионах, таких как ЕС, выбросы гармоник от электротехнических изделий, используемых в больших количествах, регулируются как часть закона об ЭМС. Это значит, что бытовые и мелкие бизнес-пользователи не должны предпринимать специальных мер. Крупные промышленные пользователи специализированного оборудования должны сами обеспечивать, чтобы их гармонические выбросы не были чрезмерными. Чаще всего правила применяются при предложении новой установки, требующей нового питания от сети, как условие предоставления этого питания.

Правила варьируются между странами, но принципы те же. Ключевые этапы:

• Электросетевая компания в конечном счете должна обеспечить, чтобы гармоническое напряжение в ее питании соответствовало допустимому уровню. Например, в ЕС качество энергии регулируется стандартом EN 50160. Обычно она выделяет «бюджет» гармонического напряжения каждому пользователю. Как объяснялось ранее, гармоническое напряжение вызывается гармоническим током, взаимодействующим с импедансом сети и существующими гармониками, уникальными для каждой локации. Это требует сложных расчетов и измерений для прогнозирования, что не оправдано для типичных промышленных установок.
• Поэтому обычно сеть имеет упрощенные правила, допускающие гармонический ток до предела, который может зависеть от мощности точки подключения, или пикового или среднего тока пользователя. Гораздо проще оценить ток, сложив данные гармонических токов всего соответствующего оборудования, подключенного к конкретной точке питания. По этой причине профессиональное оборудование, такое как приводы, генерирующие значительный гармонический ток, должны иметь данные гармонических токов, доступные пользователю. Control Techniques предоставляет эти данные для всех своих приводов в технических листах ЭМС, свободно доступных по запросу.
• Для данной установки, если ток превышает допустимые пределы, то либо должны быть приняты технические меры для его снижения, либо должно быть проведено более сложное исследование для оценки гармонического напряжения, вызванного установкой.
• Между тем, если все оборудование соответствует гармонизированным стандартам на едином рынке, таком как ЕС, никакая из описанной работы не требуется.

Стандарты

Для установок многие сети работают по своим правилам, поэтому существует очень много национальных стандартов. Особенно известен стандарт IEEE 519.

Стандарты качества энергии включают IEC 61000-2-4, определяющий «уровни совместимости» — максимально допустимые гармонические уровни, в данном случае для промышленных сетей низкого напряжения. Стандарты IEC не обязательны, но сети часто используют пределы из стандартов IEC как отправную точку для своих правил.

Для конечных изделий существуют стандарты IEC 61000-3-2 для оборудования до 16 А на фазу, и IEC 61000-3-12 для до 75 А на фазу. Европейские версии, такие как EN 61000-3-12, фактически обязательны для изделий, выводимых на рынок ЕЭЗ.

Если привод встроен в оборудование, попадающее в область действия одного из этих стандартов, он, скорее всего, будет основным вкладчиком в гармонические выбросы. Для приводов Control Techniques необходимо использовать небольшие дополнительные входные дроссели для соответствия EN 61000-3-12. Информация дана в технических листах ЭМС.

Влияние нагрузки

Частая проблема при проверке соответствия гармоникам машин с приводами — вопрос правильной номинальной нагрузочной мощности. Были жалобы на провал тестов, где выяснилось, что тестовая нагрузка была меньше номинальной. Это может быть потому, что применение не использует полную способность привода, или потому что в ЭМС лаборатории не было возможно полностью загрузить машину. Часто трудно создать реалистичную нагрузку в тестовой лаборатории, потому что машины часто предназначены для работы на больших, грязных или сложных материалах, которые нельзя привезти в лабораторию. Чтобы обеспечить выполнение требуемого стандарта, должны соблюдаться следующие требования:

1. Дополнительные входные дроссели должны быть выбраны правильными для предполагаемой максимальной непрерывной нагрузочной мощности приложения, что не обязательно равно рейтингу привода.
2. Должен учитываться любой другой гармоникообразующий прибор в машине.
3. Нагрузка во время теста должна быть равна номинальной нагрузке. Если необходимо, в тестовой установке должно быть предусмотрено временное тормозное или другое нагрузочное устройство.

Снижение гармоник

Естественный уровень гармоник, генерируемых простым выпрямителем, может быть сильно снижен добавлением индуктивности. Это может быть в постоянной цепи привода или в входных линиях переменного тока. Большинство приводов мощностью выше ~2,2 кВт используют трехфазное питание и содержат дроссели для обеспечения индуктивности. Рис. 8 показывает типичную форму тока входа для такого привода. Видно, что форма волны намного лучше, чем на рис. 1, хотя она далека от синусоидальной. В этом случае ITHD около 50%, а худшая гармоника — 5-я, около 40%.

Рисунок 8: Типичная форма 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 кВт. Для чувствительных применений и когда общая мощность приводов начинает приближаться к способности сети, может потребоваться дальнейшее снижение гармоник. Таблица ниже дает основные доступные методы с заметками об их относительных преимуществах.

[Таблица методов снижения гармоник]

Качели-дроссели (Swinging chokes)

Использование «качелей-дросселя» продвигалось некоторыми производителями приводов. Качели-дроссель — изобретение 1920-х, где использовался в некоторых радиоприемниках для сглаживания постоянного тока. Дроссель спроектирован со ступенчатым или профилированным воздушным зазором так, что при увеличении постоянного тока часть магнитной цепи насыщается и индуктивность уменьшается. Результат: на малых токах индуктивность увеличена, что помогает противодействовать описанной выше проблеме соблюдения гармонических пределов в диапазоне нагрузочных мощностей. Это потому, что значение индуктивности адаптируется к нагрузке.

Качели-дроссель может быть выгоден производителю приводов, потому что позволяет сократить запас разных значений дросселей для различных рейтингов приводов. Он может быть выгоден пользователю, позволяя приводу соответствовать гармоническому стандарту на сниженной нагрузке без дополнительного дросселя. На практике довольно трудно спроектировать качели-дроссель, работающий на широком диапазоне нагрузок, поэтому реальные выгоды невелики.