Взаимодействие гармоник с сетями электроснабжения

August 3, 2013 by admin Комментировать »

Гармоники тока потребления, протекая через фидер питания, могут создать ряд проблем. При попадании на конденсаторы цепи коррекции коэффициента мощности они могут их перегрузить, а также создать резонансные перенапряжения. Они могут исказить форму напряжения настолько, что это может привести к сбоям в компьютерах, телефонных линиях связи, двигателях и источниках питания и даже к авариям трансформаторов изза перегрева чрезмерными вихревыми токами.

Большинство из последствий влияния гармоник на форму напряжения достаточно очевидны, но среди них есть особенно неприятные. Как мы отметили выше, при протекании токов гармоник через конденсаторы, ucпользуемые для коррекции коэффициента мощности, может произойти их перегрузка. Правда, конденсаторы на средние напряжения обычно рассчитывают на ток, составляющий 180% от номинального, так что их перегрузка только от протекания токовых гармоник маловероятна. Хуже другое. Токи гармоник поступают не только в конденсаторы, но и в линию электропередачи, так что ее индуктивность оказывается включенной параллельно конденсаторам (Рис. 14.9). Если частота какой-либо гармоники совпадет или даже окажется близка к резонансной частоте контура, образованного этими конденсаторами и индуктивностью, ток гармоник увеличится пропорционально добротности контура. Вот в этих-то условиях и появляется реальная опасность перегрузки конденсаторов по току или напряжению. Такие резонансы надо избегать.

Рис. 14.9. Возникновение резонанса на частотах гармоник тока

Одним из самых надежных путей преодоления резонансных эффектов является включение последовательно с конденсаторами индуктора, выбираемого так, чтобы суммарная индуктивность этого индуктора и индуктивности линии сдвинули резонансную частоту контура ниже, чем частоты любой из гармоник. Однако этот путь лишь устраняет резонансные проблемы, но совсем не обязательно смягчит возмущения напряжения в фидере питания. Тем не менее он используется широко и успешно. Необходимо только обратить внимание на возможное увеличение напряжения, прикладываемого к конденсаторам из-за влияния последовательной индуктивности. Так, в цепи с номинальным напряжением 4160 В следует использовать конденсаторы, рассчитанные на 4800 В.

Токи гармоник могут быть также «пойманы в ловушку» путем установки последовательных резонансных LC-контуров, рассчитанных на самые неприятные частоты. Эти фильтры должны быть сконструированы так, чтобы иметь на своих резонансных частотах импедансы, намного меньшие, чем импеданс источника гармоник на этих частотах. Но и в этом случае можно вляпаться в неприятности. Если установленный фильтр имеет частоту последовательного резонанса, соответствующую 7-й гармонике, то одновременно получится параллельный резонансный контур, включающий индуктивность источника гармоник. Если резонансная частота этого контура равна или близка к частоте 5-й гармоники, то опять возможны перегрузки по току и напряжению, описанные выше. Установка набора последовательньис резонансных контуров всегда сопровождается образованием параллельных контуров с более низкими резонансными частотами. В соответствии со сложившейся практикой резонансные контуры-«ловушки>> следует устанавливать сначала на самые нижние частоты гармоник, а затем на более высокие. При включении начинать надо с более низкочастотных контуров, а при выключении — с более высокочастотных.

Перед установкой последовательных контуров-ловушек следует провести компьютерное моделирование процессов их включения и выключения, как правило сопровождающихся формированием бросков напряжения. Если при этом будут выявлены проблемы, то переходные процессы можно смягчить введением в цепь демпфирующих резисторов параллельно индукторам. Критическое демпфирование достигается при Отметим, что это сопротивление отличается от сопротивления, обеспечивающего критическое демпфирование в последовательной RLC-цепи, равногоСуществует множество конструкций

фильтров-«ловушек», отличающихся от простейших, рассмотренных нами выше. В них обычно стараются уменьшить потери на демпфирующих резисторах. Одна из популярных конструкций объединяет два последовательных фильтра, для, скажем, 5-й и 7-й гармоник с одним резистором, включенным как поперечная черта в букве H.

В последнее время успехи развития силовой электроники достигли уровня, при котором в ряде случаев стало экономически целесообразно использовать электронные способы борьбы с гармониками. Быстродействующие полупроводниковые ключи позволяют применять алгоритмы управления, способные устранить возникновение гармонических составляющих в токе потребления. При этом используется как управление всей системой преобразования электроэнергии, так и введение вспомогательных искажений тока, компенсирующих исходные. Последний способ на сегодняшний день экономически эффективен при токах до нескольких сот ампер при 600 В, и имеется тенденция к увеличению и токов, и напряжений.

На Рис. 14.10 показан результат введения фильтров-«ловушек» на уменьшение гармоник прямоугольных импульсов тока длительностью 120° с углом коммутации 10°. Добавление фильтров делает форму тока более синусоидальной, и при введении четырех фильтров содержание гармоник уменьшается с 26 до 6%.

Рис. 14.10. Влияние разного числа филътров-«ловушек» на форму тока

Влияние высших гармоник на форму напряжения в ряде случаев недооценивается. Амплитуда гармоник тока, как правило, спадает обратно пропорционально номеру гармоники, однако обычно линия электроснабжения имеет индуктивный импеданс, возрастающий с увеличением частоты. Чистый результат состоит в равенстве вклада в искажения напряжения всех гармоник. Суммарные искажения тока могут быть резко уменьшены устранением нескольких низкочастотных гармоник, как это показано на Рис. 14.10. Но для подавления искажений напряжения требуется устранение намного большего числа гармоник. Одним из способов достижения этого является установка фильтров, ослабляющих все частоты выше некоторой. Такие фильтры в слаботочной технике называются фильтры нижних частот, но в силовой электротехнике их принято называть фильтры верхних частот. Логика такого названия ускользает от автора, но, как бы то ни было, типичные фильтры верхних частот изображены на Рис. 14.11. В базовой схеме для высокочастотных гармоник получается резистивная нагрузка. На низких частотах импеданс конденсатора велик и резистор оказывает незначительное влияние. Но при возрастании частоты импеданс конденсатора уменьшается и резистор обеспечивает все большее и большее ослабление. Простая схема, приведенная на рисунке слева, на практике используется редко из-за потерь сетевого напряжения на резисторе. Введение дросселя (на схеме справа) уменьшает потери на сетевой частоте и оказывает незначительное влияние на ослабление высоких частот.

Рис. 14.11. Филътрыверхнихчастотвэлектротехнике

Разница во влиянии гармоник, возбуждаемых в 6-пульсационном преобразователе с прямоугольными импульсами тока длительностью 120°, на искажения тока и напряжения показана на Рис. 14.12. На частоте 5-й гармоники искажения одинаковы. При добавлении других токовых гармоник коэффициент нелинейных искажений (КНИ) растет незначительно, и его максимальное значение достигает примерно 25%. А вот искажения напряжения, создаваемые теми же токовыми гармониками, растут круто и теоретически не ограниченно. Вообще-то на ирактике искажения намного меньше, чем это показано на Рис. 14.12для наглядности.

Рис. 14.12. Искажения тока и напряжения

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты