Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Барутсков И.Б., Вдовенко С.А., Цыганков Е.В.Гармонические искажения при работе преобразователей частоты. – Главный энергетик, № 6, 20011.– С.5…15

Материал статьи дополнен другими источниками

Материал статьи носит прикладной характер, базируется на многолетнем опыте работы компании «Веспер» в области производства и обслуживания преобразователей частоты, дополнен материалами из других источников. Параметры реальной электрической сети отличаются от идеальных параметров, в частности, форма кривой напряжения оказывается искажённой синусоидой. Расхождение идеальных и реальных параметров сети не должно превышать значений, установленных стандартом [20].

Контроль качества электроэнергии (КЭ) следует выполнять не менее 2-х раз в год, а при значительном сезонном изменении нагрузок – ежеквартально. Если меняется схема сети или её параметры, значения и характер нагрузок потребителей, а также по их требованиям, то возникает необходимость дополнительного эпизодического контроля показателей КЭ.

Стандарт [20] нормирует два показателя, характеризующих степень искажения синусоидальности напряжения в электрической сети:

коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения

где – действующее значение междуфазного (фазного) напряжения

1-ой гармоники;

– действующее значение междуфазного (фазного) напряжения

-ой гармоники.

Примечания: Стандарт предписывает учитывать гармоники от 2-ой до 40-ой.

Другие названия – «коэффициент гармоник (применяют в радиотехнике)», «коэффициент нелинейных искажений». В иностранной литературе он обозначается как THD – коэффициент суммарных гармонических искажений.

коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения

,

где n – номер гармонической составляющей, кратной основной частоте в спектре несинусоидального напряжения.

Спектр гармоник (линейчатый спектр) – график, показывающий распределение энергии по частоте какого-либо периодического сигнала, представляющего собой набор дискретных гармоник с частотами, кратными основной частоте.

Коэффициент искажения синусоидальности определяет долю суммарного напряжения высших гармоник в питающем напряжении электросети по отношению к напряжению основной частоты, а коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения характеризует вклад конкретной гармоники в общие искажения.

Нормально допустимые значения для сетей напряжения:

0, 4 кВ – 8 %, 6…20 кВ – 5 %, 35 кВ – 4 %, 110…330 кВ – 2 %.

Предельные значения , с вероятностью 0,05, для сетей всех напряжений отличаются от длительно допустимых значений в 1,5 раза.

Нормально допустимые значения для каждой гармоники приведены в табл. 1 [20].

 

Таблица 1. – Значения коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения

 

Нечётные гармоники, не кратные 3, при Uном , кВ Нечётные гармоники, кратные 3, при Uном, кВ Чётные гармоники при Uном , кВ
n* 0,38 6… n* 0,38 6… n* 0,38 6…
1,5 1,5 1,5 0,5
2,5 1,5 0,4 0,7 0,5 0,3
3,5 0,3 0,3 0,3 0,2 0,5 0,3 0,3 0,2
1,5 0,7 0,2 0,2 0,2 0,2 0,5 0,3 0,3 0.2
1,5 0,5 >21 0,2 0,2 0,2 0,2 0,5 0,3 0,3 0,2
1,5 0,4           0,2 0,2 0,2 0,2
1,5 0,4           >12 0,2 0,2 0,2 0,2
1,5 0,4                    
>25 0,2+ +1,3 0,2+ +0,8 0,2+ +0,6 0,2+ +0,2                    
Примечание. Значения, приведенные для ν, равных 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трёхфазных трёхпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньше приведенных

 



Их предельно допустимые значения для сетей всех напряжений отличаются от длительно допустимых значений в 1,5 раза.



 

Причинами высших гармоник являются потребители, имеющие нелинейные входные цепи и потребляющие импульсный ток, например:

· статические преобразователи;

· газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;

· ДСП, сварочные аппараты;

· устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;

· специальные медицинские приборы.

Возникновение ВГ в спектре питающего напряжения, как известно, связано с применением электрооборудования с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), потребляющего в силу нелинейности ВАХ ток несинусоидальной формы, искажающего синусоиду питающего напряжения. Поэтому электрооборудование с нелинейной ВАХ является генератором (источником) ВГ тока.

Поясним это положение с помощью приведенных ниже рисунков.

На рис. 1,а дана принципиальная однолинейная схема подключения нелинейной нагрузки посредством линии, полное сопротивление которой , к источнику с его эквивалентными сопротивлением и ЭДС .

На рис. 1,б выполнено построение, поясняющее возникновение несинусоидального напряжении на входных зажимах .

 
а)
Рисунок 1. – а) Принципиальная схема, б) Графическое построение, поясняющие возникновение несинусоидальности в сети : 1 – ВАХ нелинейного сопротивления; 2 – синусоидальное напряжение на нём; 3 – ток нелинейного сопротивления
 
 
 
u  
u,i  
 
 
 
i  
 
б)

 

 


Различают нелинейные электроприёмники и нелинейные элементы сети.

К первым относятся: частотно-регулируемый привод, электронные выпрямительные устройства, люминесцентные и газоразрядные лампы, телевизионные приёмники, ПЭВМ. Хотя некоторые из них порознь создают при своей работе сравнительно невысокий уровень гармонических искажений, но общее их количество может оказаться велико на столько, что в совокупности они создают значительные кондуктивные помехи, превышающие допустимый уровень.

Примером нелинейных элементов сети являются трансформаторы и реакторы, магнитные усилители.

Отдельные приёмники по-разному реагируют на изменения искажения синусоидальности, но все они подвержены влиянию несинусоидальности.

Поскольку ВГ образуют составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей, отличающиеся порядком чередования фаз, то этим и объясняется их различное действие на электрооборудование.

Токи нулевой последовательности создают дополнительное подмагничивание стали, что приводит к нагреву статоров АД и магнитопроводов силовых трансформаторов, снижению срока их службы. При несинусоидальном напряжении наблюдается ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, конденсаторов, кабелей. Для кабелей при воздействии ВГ характерно увеличение токов утечки. Например, при через 3,5 года ток утечки возрастает на 43 %.

Несинусоидальные режимы могут приводить к разрушению нулевых проводников по вине гармоник, кратных 3, совпадающих по фазе и образующих нулевую последовательность.

Низкое качество электроэнергии всегда приводит к недоучёту электроэнергии.

Особенно опасно возникновение резонансных явлений в сети, когда отдельные её элементы под воздействием ВГ обеспечивают такие условия, что они могут привести к отказу оборудования под влиянием перенапряжений или сверхтоков.

ВГ отрицательно влияют на значения коэффициента мощности.

Поскольку гармоники различно действуют на отдельные элементы электрической сети, то естественным является постановка вопроса о дополнительных потерях в каждом из разнообразных элементов сети и дополнительном их нагреве этими кондуктивными помехами. В табл. 2 приведены аналитические выражения, принятые в настоящее время во многих литературных источниках, например [1,2,3], для определения дополнительных потерь, превышения температуры, сокращения срока службы основных элементов СЭС: АД, силовых трансформаторов, КУ, ЛЭП.

 

Таблица 2. – Дополнительные потери активной мощности , превышение допустимой температуры нагрева , относительное сокращение срока службы отдельных элементов СЭС

 

Элемент СЭС , кВт
АД
Трансфор матор 0,607
КУ
ЛЭП - -

 

В табл.2 коэффициент , кВт, зависит от номинальной мощности АД.

 

Коэффициент передачи , (°C)-2 , зависит от класса изоляции АД (табл. 3).

 

Таблица 3.– Коэффициенты передачи АД

Класс изоляции А В
Коэффициент передачи 0,449 0,562

 

 

Коэффициенты – соответственно принимаются равными 2385,4; 117,9; 4016,4 – для цеховых трансформаторов: 596,3; 29,5; 1004,1 – для специальных трансформаторов 6, 10 кВ.

Дополнить текст сведениями об этих величинах!

 

Особого внимания заслуживает вопросы ЭМС при использовании статических преобразователей частоты.

Современная тенденция широкого внедрения преобразователей частоты в целях оптимизации техпроцессов предполагает использование выпрямителей. Функция выпрямителя преобразовывать переменное разнополярное напряжение источника питания в однополярное '(пульсирующее) напряжение в целях превращения его в постоянное напряжение. В трёхфазных цепях для этих целей наибольшее распространение получила схема Ларионова (6-полупериодная – 6-пульсная). Применяют также и другие схемы с б льшим количеством полупериодов выпрямления, уменьшающих уровни гармоник, однако для их реализации требуются специальные трансформаторы и значительно большее количество вентилей. Это делает такие схемы сложными и экономически нецелесообразными. Их применение ограничивается мощными преобразователями частоты на напряжениях 6 и 10 кВ.

В устройствах, питающихся от сети 0,4 кВ, преобладают 6-пульсные преобразователи. При их подключении к симметричной трёхфазной сети в спектре гармоник питающего напряжения имеют место только нечётные гармоники, а при соединении обмоток источника в треугольник междуфазные напряжения на его зажимах не содержат гармоник, кратных трём. Такие преобразователи генерируют в сеть только 5-ю, 7-ю, 11-ю, 13-ю гармоники напряжения.

Применение преобразователей частоты и систем частотного регулирования сегодня является одной из основных энергосберегающих технологий. Главным фактором широкого применения частотного регулирования является снижение потребления электроэнергии и повышение надёжности работы электродвигателей, рабочих механизмов, коммутационной и запорно-регулирующей аппаратуры гидравлических и аэродинамических сетей. Однако этих положительных эффектов можно достичь лишь при правильном проектировании, монтаже, наладке, эксплуатации систем частотного регулирования. Особого внимания при этом требует их ЭМС. Под ней понимают [31] защищённость самих преобразователей от внешних электромагнитных помех и ограничение величины электромагнитных помех, генерируемых преобразователями в окружающую среду – близко расположенное оборудование, чувствительное к электромагнитным излучениям, электродвигатель рабочего механизма, электрооборудование, питающееся от тех же шин, что и преобразователь.

Защищённость преобразователей от внешних помех и в промышленных и коммунальных электроустановках достаточна без применения дополнительных мер, но влияние преобразователей на окружающую среду представляет серьёзную проблему.

При насыщении магнитопровода трансформатора искажается синусоида магнитного потока в нём. Поэтому проблему дополнительных потерь в распределительных трансформаторах (РТ) с нелинейной нагрузкой следует рассматривать аналогично, понимая в данном случае под ЭМС как воздействие нелинейной нагрузки на РТ, так и воздействие самих РТ на окружающую среду, в том числе на самих себя.

Преобразователи частоты – статические аппараты, основой которых является силовая электроника, порождающая несинусоидальные токи в их входных цепях и несинусоидальные напряжения в выходных цепях преобразователя. Входное устройство преобразователя – выпрямитель, поэтому входной ток оказывается несинусоидальным, что вызывает несинусоидальность напряжения на шинах его питания. Выходное напряжение преобразователя, формируемое инвертором, также оказывается несинусоидальным за счёт регулирования импульсов высокой частоты.

При использовании преобразователей следует принимать во внимание, на какую аппаратуру и каким образом они могут воздействовать.

В электродвигателях и трансформаторах ВГ напряжения приводят к снижению КПД из-за увеличения потерь в стали и обмотках. Кроме того, при большом содержании ВГ возможны существенные колебания вращающегося момента и скольжения АД, а у трансформаторов – повышенный нагрев и дополнительные шумы. Вследствие повышенных токов утечки кабели подвержены дополнительному нагреву. Наличие высокочастотных составляющих питающего напряжения приводит к увеличению токов КУ, а при определённых соотношениях гармоник возможны резонансы напряжения и пробой изоляции. Устройства коммутации и релейной защиты при воздействии на них высоких частот изменяют время коммутации и уставок.

Указанные воздействия высокочастотных помех являются естественными, исключить их нельзя, но ослабить – можно и необходимо в системах с преобразователями. Так опытные проектировщики в СЭС, в которых имеют место гармоники, выбирают двигатели и силовые трансформаторы большей мощности.

Следует иметь в виду, что в настоящее время фирмы выпускают преобразователи частоты неограниченного и ограниченного распространения. Первые могут применяться при условии, что заказчиком выполнены все требования инструкций по применению данного изделия. При использовании преобразователей ограниченного применения заказчик должен привлекать специализированные фирмы для проектирования, монтажа и наладки систем частотного регулирования, чтобы избежать нежелательного воздействия преобразователей на другое оборудование СЭС.

Интенсивность гармонических искажений напряжения питания, прежде всего, зависит:

а) от соотношения мощности питающего трансформатора и суммарной мощности нелинейных потребителей,

б) от протяжённости и сечения линии питания нелинейной нагрузки от питающего трансформатора.

Согласно источнику [16] к трёхфазной сети может быть подключено сколько угодно нелинейных нагрузок с суммарной мощностью, не превышающей, как правило, 10…15 % от номинальной мощности источника питания. При этом будут соблюдены требования стандарта по обоим показателям несинусоидальности питающего напряжения.

Известно, что после положительного опыта эксплуатации первых преобразователей частоты начинается их широкое внедрение в производство. Количество устанавливаемых и работающих преобразователей увеличивается так, что уровень гармонических искажений может превысить их допустимые значения. Тогда необходимо провести скрупулёзное измерение гармонических искажений и по их результатам принять практические меры.

Если бы сопротивление сети относительно зажимов каждого отдельного потребителя электроэнергии было равно нулю, то не было бы искажения питающего напряжения. Однако сеть для потребителя представляет некий эквивалент сопротивления, включающий в качестве основных компонент выходное сопротивление питающего трансформатора и распределённое сопротивление питающей линии. Нелинейные токи, генерируемые нелинейным потребителем в сеть, протекая по сопротивлению линии, к которой он подключён, вызывают падение напряжения в ней. В результате чего на зажимах этого потребителя и других, параллельно подключённых с ним потребителей, появляется несинусоидальное напряжение.


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2019 год. (0.016 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал