Основные принципы рекуперативных приводов — часть 2

Вслед за нашей предыдущей статьей, в которой был дан краткий обзор работы рекуперативного привода, здесь мы рассмотрим некоторые особые факторы, которые необходимо учитывать при рекуперативной работе.

Влияние на электросеть (сеть переменного тока)

Правила

Это правила, установленные энергетическими компаниями для обеспечения того, чтобы встроенная генерация не нарушала безопасность или надежность электроснабжения. Остальная часть этого раздела охватывает наиболее важные темы, регулируемые правилами. Если система регенерации будет использоваться в качестве преднамеренного генератора, она должна соответствовать правилам, действующим в месте использования. Если нет, то затронутые темы все равно следует учитывать, когда текущий номинал системы рекуперации составляет значительную часть номинала местной энергосистемы, чтобы гарантировать, что в случае неисправности или неисправности не будет причинен ущерб другому подключенному оборудованию. .

Ток короткого замыкания

Местный генератор вносит свой вклад в ток, вызывающий электрическую неисправность (короткое замыкание), и может повлиять на безопасность или требуемые характеристики электрического распределительного устройства. В любой предлагаемой установке генератора необходимо рассчитать добавочный ток короткого замыкания. Однако инвертор рекуперации оказывает незначительное влияние, потому что электронная защита от перегрузки по току прерывает чрезмерный ток намного быстрее, чем может сработать автоматический выключатель или предохранитель. Пиковый ток короткого замыкания для инверторов CT нынешнего поколения составляет 260 % ​​от номинального тока, и после отключения инвертора ток спадает до нуля менее чем за 4 мс (в зависимости от значения дросселя переменного тока). Пиковый ток для степени защиты берется по крайней мере за один полупериод частоты питания. Вместе эти факторы делают вклад тока короткого замыкания незначительным.

Островная операция

Если электросеть отключается от установки, в которой работает генератор, то существует вероятность возникновения «острова» мощности, когда местная генерация непреднамеренно держит местные нагрузки под напряжением. Это маловероятно, потому что без специально разработанного регулятора частоты невозможно обеспечить баланс между спросом и предложением. Обычно частота быстро выходит за пределы рабочего диапазона, и система отключается. Также отсутствует контроль напряжения или реактивной мощности. Однако, если остров все-таки возникнет, возникнет угроза безопасности работников электроэнергетики и риск повреждения местного оборудования на острове, если напряжение или частота выйдут за пределы их безопасного диапазона.

Если система рекуперации имеет источник энергии (например, двигатель, аккумулятор или другой накопитель энергии), так что возможна автономная работа, то должна быть обеспечена защита от аварийного островка. Частотный диапазон рекуперативного привода должен быть ограничен в настройках параметров безопасным диапазоном, и должно быть встроено реле перенапряжения, чтобы отключить инвертор, если напряжение станет чрезмерным.

Для преднамеренных генераторов существуют стандарты для защиты от изоляции (иногда называемой защитой от потери сети (LOM). Некоторые из них требуют, чтобы инвертор работал по специальному алгоритму для обнаружения состояния изоляции, которое доступно в качестве стандартного средства в Привод Unidrive M. Для некоторых из них требуется независимое утвержденное защитное реле.

Остров намерений, создание резервной копии

Обратите внимание, что инвертор рекуперации нельзя использовать в качестве автономного генератора, например, в качестве резервного источника питания на случай потери сетевого питания. Его можно использовать только в сочетании с существующим источником, с которым он синхронизируется.

Поездка

Может потребоваться, чтобы преднамеренные генераторы продолжали работать во время нарушения электросети. Наиболее распространена ситуация, когда где-то в электросети возникает неисправность (короткое замыкание), что приводит к внезапному падению напряжения на клеммах генератора. Это может быть сбалансировано или несбалансировано между тремя фазами. Во время поездки может оказаться невозможным продолжать выработку номинальной мощности, если напряжение слишком низкое, но требуется реактивный ток для поддержания напряжения и помощи в восстановлении управления сетью после того, как неисправная цепь была отключена автоматическими защитными устройствами.

Простой AFE довольно чувствителен к помехам напряжения, потому что его работа зависит от точного баланса между формой напряжения сети и напряжением, генерируемым внутри инвертора. Если он не имеет возможности отключения, он более склонен вызывать ложные срабатывания, чем простой выпрямитель. Unidrive M имеет выбираемую возможность переключения, которая соответствует требованиям основных национальных стандартов, таких как рекомендации BDEW для генераторов, подключенных к сетям среднего напряжения.

Важно понимать, что при нормальной рекуперативной работе инвертор рекуперации регулирует свою выходную мощность в соответствии с системой питания переменного тока, чтобы регулировать напряжение на шине постоянного тока до желаемого значения. Во время скачка напряжения он больше не может генерировать свою полную номинальную мощность, поэтому он может быть не в состоянии продолжать регулировать напряжение постоянного тока. Затем источник питания должен взять на себя эту роль. Если этого не сделать, может произойти отключение из-за перенапряжения, если входящая мощность превышает отходящую. В качестве альтернативы можно подключить тормозной резистор для поглощения избыточной мощности.

Регулировка мощности и частоты

Баланс спроса и предложения в электросети переменного тока достигается за счет регулирования частоты. Для этого может потребоваться специальный генератор, реагирующий на внешние команды питания или реализующий функцию управления мощностью в зависимости от частоты. Это можно запрограммировать как приложение в приводе.

Гармоники и интергармоники

Как обсуждалось в первом блоге о рекуперации, инвертор рекуперации генерирует незначительные уровни истинного гармонического тока, то есть с целыми кратными частотами сети переменного тока. Он взаимодействует с существующими гармониками в сети, а также генерирует продукты ШИМ-модуляции. Это высокие частоты, которые в течение многих лет считались выходящими за пределы диапазона гармоник, которые обычно считались заканчивающимися на уровне 40. Однако более поздние технические стандарты и инструменты начали учитывать гармоники до порядка 100.

Например, возьмем систему, работающую при номинальной частоте сети 60 Гц и частоте коммутации 3 кГц. Основными частотами, связанными с коммутацией, будут 2880 Гц и 3120 Гц. Это в 48 и 52 раза больше частоты питания. Однако две частоты не являются соизмеримыми величинами, или, другими словами, они не синхронизированы по фазе. Если бы частота сети была 60,1 Гц, то эквивалентные частоты продуктов были бы 2879,8 Гц и 3120,2 Гц. Когда прибор гармонического анализа подключен к такой системе, он, вероятно, покажет их как 48-ю и 52-ю гармоники, если он имеет стандартную полосу пропускания 5 Гц, или может указать на невозможность синхронизации данных.

Если бы частота коммутации была 4 кГц, то основными присутствующими частотами были бы 3880 Гц и 4120 Гц, которые не являются гармоническими частотами. Они будут обозначены как «интергармоники» анализатором с интергармонической функцией или могут быть проигнорированы базовым анализатором гармоник с нормальной полосой пропускания 5 Гц.

Гармоники и интергармоники, рассмотренные выше, представляют собой трехфазные наборы либо с положительной, либо с обратной последовательностью фаз. Это означает, что в отличие от высокочастотных синфазных «шумовых» напряжений они проходят через трансформаторы и могут вызывать помехи за пределами питающего трансформатора. Фильтр частоты коммутации необходим для снижения их амплитуд до допустимых значений.

Взаимодействие с источником/приемником постоянного тока – контроль напряжения

Когда система рекуперации подключена к источнику или нагрузке постоянного тока, необходимо подумать об управлении напряжением постоянного тока. В системе привода с рекуперацией привод машины фактически становится источником постоянной мощности, а инвертор рекуперации регулирует отдачу мощности, чтобы сбалансировать поступающую мощность при желаемом напряжении постоянного тока. Другие системы могут иметь совсем другие характеристики. Например, в фотоэлектрическом инверторе напряжение и ток постоянного тока контролируются кривой напряжения/тока массива фотоэлектрических модулей для данной инсоляции и температуры. Инвертор, естественно, не «знает», какое напряжение выбрать, поэтому эталонное напряжение постоянного тока инвертора рекуперации должно быть адаптировано алгоритмом MPPT, чтобы найти оптимальную точку мощности.

Напряжение постоянного тока в синфазном режиме

Источник постоянного тока в системе рекуперации имеет необычное синфазное напряжение, то есть среднее напряжение между его полюсами и землей. Полный анализ формы сигнала напряжения довольно сложен, но, обращаясь к упрощенной схеме на рисунке 1 в первом блоге, вы можете сделать вывод, что когда одна из пар входных транзисторов инвертора изменяет свое состояние, тенденция к напряжению цепи шины постоянного тока изменить на шаг, равный V_DC, по отношению к земле. На самом деле шаг ограничен делением напряжения вокруг входного дросселя до 1/3 V_DC. Этот шаг происходит всякий раз, когда фаза переключается, то есть шесть раз в каждом цикле переключения ШИМ.

Это означает, что, когда источник переменного тока представляет собой обычный низковольтный источник питания с нейтралью, соединенной с землей, шина постоянного тока несет высокое синфазное напряжение, которое представляет собой сложную схему ШИМ с быстро нарастающими фронтами, содержащую широкий спектр частот. Некоторые из эффектов этого приведены в следующем списке:

1. Ни в приводах, подключенных к шине постоянного тока, ни в самом инверторе рекуперации не должны быть установлены внутренние конденсаторы фильтра ЭМС, поскольку эти конденсаторы могут быть перегружены синфазным напряжением и вызвать высокие циркулирующие токи на землю, что приведет к неисправность инвертора.
2. Фильтр радиочастотных помех не должен подключаться к шине постоянного тока по той же причине, что и в пункте 1.
3. Шина постоянного тока является «шумной», поэтому, если она распределяется по неэкранированным проводникам, это может вызвать помехи в близлежащих сигнальных цепях. Если питание постоянного тока должно быть распределено на значительные расстояния, оно должно осуществляться по экранированным кабелям. Однако если кабели длинные, то высокочастотный ток на землю в их паразитной емкости вызовет дополнительные потери мощности в дросселях рекуперации.
4. Никакое другое оборудование не может быть подключено к шине постоянного тока, если не подтверждено, что оно выдерживает синфазное напряжение. (Например, оборудование, предназначенное для работы от источника постоянного тока, скорее всего, будет иметь собственный фильтр радиопомех, который не выдерживает синфазное напряжение. Однако большинство преобразователей тока и напряжения рассчитаны на синфазное напряжение.)

Для специальных приложений, где эти эффекты неприемлемы, одним из решений является использование изолирующего трансформатора на входе, чтобы источник переменного тока был изолирован от земли. Тогда можно работать с одним полюсом шины постоянного тока, подключенным к земле напрямую, поэтому синфазное напряжение отсутствует. Или он может быть подключен через конденсаторы к земле или фильтру радиопомех, если требуется, чтобы уменьшить высокочастотный синфазный шум, который, скорее всего, вызовет помехи. Это используется, например, в фотоэлектрических инверторах и в системах, где мощность постоянного тока должна быть распределена на несколько нагрузок.

Фильтры, импеданс питания, контроль тока

Частотный фильтр коммутации обсуждался выше в связи с предотвращением помех другому оборудованию, подключенному к той же цепи питания. Фильтр также необходимо учитывать с точки зрения его влияния на систему управления инвертором.

В инверторе на 3 кГц частота оборота фильтра составляет около 800 Гц, так что он дает полезное затухание на частоте 2900 Гц. На оборот в некоторой степени влияет импеданс источника питания, который неизвестен для этих необычных частот. Это означает, что коэффициент усиления контура тока в инверторе не должен быть установлен слишком высоким, иначе стабильность на частоте около 800 Гц станет предельной, а система станет чувствительной к помехам и может выйти из строя. Для большинства обычных применений привода, то есть там, где система рекуперации является одной из многих нагрузок в промышленной распределительной сети низкого напряжения, естественное демпфирование достаточно, чтобы не возникало особых требований. Обычно действуют значения по умолчанию.

Там, где одна или несколько систем рекуперации питаются от выделенного источника, при этом мало что еще подключено, возможно недостаточное демпфирование токовых контуров. Это можно легко определить с помощью осциллографа для просмотра формы сигнала линейного тока, поскольку всплески колебаний («звон») возникают с периодом около 800 Гц, часто в 6 точках в каждом сетевом цикле. В этой ситуации устойчивость можно восстановить, уменьшив член Р в контурах управления током. Также может быть необходимо уменьшить коэффициент усиления контура напряжения, чтобы избежать недостаточного демпфирования управления напряжением, вызванного более медленным контуром тока. Если приложение очень динамично, так что эти более низкие коэффициенты усиления неприемлемы, то требуется альтернативный метод улучшения демпфирования. Есть два варианта:

1. Добавьте дополнительные фильтрующие конденсаторы. Это снижает частоту оборотов фильтра до значения, при котором контуры управления током имеют меньшую задержку по фазе и могут способствовать активному демпфированию.
2. Используйте демпфирующий фильтр. При этом используются дополнительные конденсаторы и небольшие резисторы для обеспечения демпфирования. Дополнительную информацию можно получить в службе технической поддержки CT.

Оба варианта используются эффективно. Недостаток варианта 1 заключается в том, что может потребоваться несколько конденсаторов, занимающих много места, а также вызывающих высокий постоянный реактивный ток, который, возможно, придется компенсировать функцией управления реактивным током инвертора. Недостаток варианта 2. заключается в том, что резисторы вызывают некоторую постоянную потерю мощности, а также они должны быть защищены от перегрузки в случае аномальных гармоник в питании, что делает вариант довольно сложным.