Способи придушення гармонік струму в системах електроживлення
Ця публікація є продовженням теми, порушеної у попередній статті [1].
Гармоніки струму, створювані нелінійними навантаженнями, можуть бути серйозними проблемами для систем електроживлення. Гармонічні складові є струмами з частотами, кратними основний частоті джерела живлення. Вищі гармоніки струму, що накладаються на основну гармоніку, призводять до перекручування форми струму. У свою чергу, спотворення струму впливають на форму напруги в системі електроживлення, викликаючи неприпустимі впливи на навантаження системи.
Найбільш поширеним обладнанням, що генерує вищі гармоніки струму в мережу, є:
- статичні перетворювачі (випрямлячі, системи безперебійного живлення, тиристорні регулятори, імпульсні джерела живлення тощо);
- газорозрядні освітлювальні пристрої та електронні баласти;
- електродугові печі постійного та змінного струму;
- зварювальні апарати;
- пристрої з електромагнітними елементами, що насичуються;
- електродвигуни змінного струму з регульованою швидкістю обертання;
- спеціальні медичні прилади та ін.
Зазначені пристрої є генераторами найвищих гармонік струму в системі електроживлення. Залежно від місця свого підключення та відсоткового співвідношення з лінійними навантаженнями в цій системі вони тим чи іншим чином впливатимуть на інші навантаження. Збільшення загального діючого значення струму за наявності вищих гармонійних у системі призводить до перегріву всього обладнання розподіленої мережі електроживлення, зниження коефіцієнта потужності, зниження електричного та механічного ККД навантажень, погіршення характеристик захисних автоматів та завищення необхідної потужності автономних електроенергетичнихустановок.
Розглянемо основні способи придушення вищих гармонік струму шляхом застосування:
- лінійних дроселів,
- пасивних фільтрів,
- розділових трансформаторів,
- магнітних синтезаторів,
- активних кондиціонерів гармонік.
1. Увімкнення лінійних дроселів.
Найпростішим способом зниження рівня вищих гармонік струму, що генеруються нелінійними навантаженнями, у зовнішню мережу є послідовне включення лінійних дроселів (рис. 1). Такий дросель має мале значення індуктивного опору на основній частоті 50 Гц і значні величини опорів для вищих гармонік, що призводить до їхнього ослаблення. При цьому знижується коефіцієнт амплітуди (хрест-фактор)Kaта коефіцієнт спотворенняKівхідного струму.
Рис 1. Криві струмів нелінійних навантажень: а) без дроселя; б) при послідовному включенні дроселя.
У таблиці № 1 наведено значення коефіцієнта спотворення струму на вході трифазного мостового випрямляча при різних значеннях відносного індуктивного опору дроселя на основній частоті (ХДР) [2].
2. Застосування пасивних фільтрів.
Застосування послідовно включених лінійних дроселів часом не дозволяє зменшити гармонійні спотворення струму до бажаних меж. В цьому випадку доцільно застосування пасивних LC-фільтрів, налаштованих на певний порядок гармоніки. Для покращення гармонійного складу споживаного струму такі фільтри знайшли широке застосування у системах із джерелами безперебійного живлення (UPS). Підключення фільтра на вході шестипівперіодного випрямляча при 100% навантаженні UPS забезпечує зниження коефіцієнта спотворення струму до величини 8-10%. Значення цього коефіцієнта у системі без фільтраможе сягати 30% і більше. На рис. 2г наведена реалізація трифазного LC-фільтра, що застосовується як опціональний пристрій у 3-х фазних UPS.
Розрізняють такі різновиди пасивних фільтрів [4]:
- некомпенсований LC-фільтр;
- скомпенсований LC-фільтр;
- некомпенсований LC-фільтр із комутатором.
Рис 2. Пасивні фільтри:
Нескомпенсований фільтр містить поздовжню індуктивність ДР1 та поперечний ланцюг, що складається з послідовно включених індуктивності ДР2 та ємності С, налаштованих на певну гармоніку (рис. 2а). Якщо фільтр налаштований на 5-ю гармоніку, то опір поперечного ланцюга близько до нуля і струм, що споживається від джерела, не міститиме цю гармоніку. Недоліком такого фільтра є таке. При використанні як первинного джерела живлення дизель-генераторну установку (ДГУ) з обмеженою настановною потужністю, останній може забезпечити відносно низьке значення ємнісної складової струму навантаження (10-30%).
При включенні UPS на ДГУ, коли здійснюється "м'який" старт випрямляча, активна потужність, що споживається навантаженням, дорівнює нулю і генератор ДГУ виявляється навантаженим тільки на ємнісний опір фільтра. Значна ємнісна складова споживаного від генератора струму може призвести до порушення нормальної роботи генераторної системи та відключення ДГУ. Отже, можливість використання нескомпенсованих LC-фільтрів має бути проаналізована з погляду узгодження характеристик генератора і параметрів фільтра.
Скомпенсований фільтр містить додаткову поперечну індуктивність Др3, що сприяє тому, що фільтр по відношенню до генератора має індуктивний характер (рис. 2б). Цезнижує ємнісну складову споживаного струму і полегшує роботу генератора в пусковому режимі. Однак наявність ДР3 призводить до зниження коефіцієнта потужності системи в цілому.
Нескомпенсований фільтр з комутатором зручний при використанні ДГУ обмеженої потужності, порівнянної з потужністю UPS. Поперечний ланцюг фільтра автоматично підключається тільки після виходу UPS на номінальний режим (рис. 2в).
Таким чином, не потрібне застосування ДДУ завищеної потужності та не знижується коефіцієнт потужності системи.
3. Застосування спеціальних розділових трансформаторів.
Роздільний трансформатор з обмотками "трикутник-зірка" дозволяє ефективно боротися з гармоніками, кратними третім, при збалансованому навантаженні. Для ослаблення впливу несиметрії навантаження та зменшення струму нейтралі застосовують "перехресну" (зигзагоподібну) систему обмоток, де вторинна обмотка кожної фази розбита на дві частини та розміщена на різних стрижнях магнітопроводу трансформатора.
При несинусоїдальних струмах зростають втрати в трансформаторах головним чином за рахунок втрат на вихрові струми, що вимагає збільшення їх настановної потужності або застосування спеціальних К-фактор трансформаторів [3]. К-фактори трансформатори відрізняються від стандартних тим, що мають додаткову теплоємність, що дозволяє витримати нагрівання, викликане вищими гармоніками струму. Крім того, спеціальна конструкція такого трансформатора дозволяють звести до мінімуму втрати на вихрові струми та втрати через паразитну ємність.
К-фактор є коефіцієнт, що характеризує внесок вищих гармонік в процес нагрівання трансформатора. Якщо К-фактор дорівнює одиниці, це означає, що навантаження лінійна і в ланцюзі протікає синусоїдальний струм. ЗначенняДо-фактора вище одиниці вказують на додаткові теплові втрати при нелінійних навантаженнях, які трансформатор здатний розсіяти безпечно.
Сума квадратів вагових коефіцієнтів гармонік при обліку всіх вищих гармонік дорівнює одиниці. Обмеження числа вищих гармонік під час розрахунку К-фактора призводить до певного зменшення цього параметра. Нижче наведено таблицю розрахунку К-фактора для нелінійного навантаження типу однофазного мостового випрямляча з урахуванням вищих гармонік струму до n=11.
З наведеної таблиці слід, що з коефіцієнті спотворення струму:
У світовій практиці зустрічаються характерні значення К-фактора: 4, 9, 13, 20. У приміщеннях, що мають нелінійні навантаження, та комп'ютерних залах К-фактор зазвичай становить 4-9. У зонах з телекомунікаційним обладнанням, високою концентрацією однофазних комп'ютерних терміналів К-фактор може досягати значень 13-17 [5].
4. Застосування магнітних синтезаторів.
Магнітний синтезатор, що випускається Liebert Corporation [3, 6], забезпечує захист навантаження від різних спотворень електроживлення, зокрема, від провалів та викидів напруги, імпульсних та високочастотних перешкод, наявності вищих гармонік, що викликають спотворення синусоїдальної форми вхідної напруги. Вихідна напруга магнітного синтезатора на кожному напівперіоді основної частоти генерується шляхом поєднання шести прямокутних імпульсів від зв'язаних між собою трансформаторів з насиченням, аналогічно інверторам зі ступінчастим (покроковим) принципом управління. Однак магнітний синтезатор не містить будь-яких силових напівпровідникових елементів, виконуючи функцію стабілізатора напруги.
Мал. 3. Блок-схема магнітного синтезатора.
Блок-схему магнітного синтезатора представлено на рис. 3.Лінійні дроселі перетворять вхідний джерело напруги джерело струму. В цьому випадку струм блоку трансформаторів не залежить від мінливих у широких межах (± 40%) значень вхідної напруги. Такий спосіб передачі енергії практично повністю виключає перешкоди та можливі коливання вхідної напруги. Через блок гальванічної розв'язки енергія передається блок імпульсних трансформаторів і блок конденсаторів. Шість з'єднаних один з одним імпульсних трансформаторів з насиченням утворюють форму синтезованої напруги. Кожен трансформатор генерує на напівперіоді один із шести імпульсів з певною вольт-секундною площею (рис. 4), що забезпечується спеціальною конструкцією трансформаторів та блоком конденсаторів. Безперервний обмін енергією, накопиченої в блоці імпульсних трансформаторів і в блоці конденсаторів, забезпечує глибоке насичення сердечників трансформаторів і точне регулювання імпульсів, що формуються за амплітудою і тривалістю.
Розглянемо принцип роботи магнітного синтезатора. У будь-який момент часу п'ять із шести сердечників блоку трансформаторів знаходяться в режимі насичення і є короткозамкнутими контурами. Коли осердя шостого трансформатора насичується, напруга на цьому трансформаторі падає практично до нуля, при цьому змінюється полярність напруги на черговому трансформаторі на зворотну, викликаючи перехід його осердя в ненасичений стан і формування першого імпульсу синтезується напрузі наступного напівперіоду. Таке послідовне перемикання імпульсних трансформаторів здійснює серію певних імпульсів напруги, що використовуються як блоки для формування синтезованої напруги (рис. 4).Ця напруга надходить на навантаження через фільтри, налаштовані другу і третю гармоніки, що забезпечує коефіцієнт спотворення вихідної напруги не вище 4% незалежно від ступеня спотворення напруги на вході магнітного синтезатора. Трифазна вихідна напруга подається до навантаження через Zig-Zag трансформатор, що формує нейтраль вихідного ланцюга і забезпечує зниження впливу асиметрії навантаження на роботу синтезатора. Навіть повністю неузгоджене але фазам навантаження (100% асиметрія) не призводить до змін вихідної напруги більш ніж + 5%, ( 2%. При цьому вихідний ланцюг, включаючи нейтраль, повністю ізольований від вхідного ланцюга електроживлення.
Варіант реалізації принципової схеми магнітного синтезатора наведено на рис. 5 [7].
Мал. 5. Варіант реалізації схеми магнітного синтезатора.
На рис.6 представлені регулювальні характеристики за різних величин завантаження магнітного синтезатора. Як видно з сімейства регулювальних характеристик, відхилення вихідної напруги від номінального значення не перевищує 5% за зміни навантаження від 0 до 100% і вхідної напруги в межах ± 40%. У цьому магнітний синтезатор поглинає вищі гармоніки струму, створювані нелінійними навантаженнями, підключеними з його виході. Коефіцієнт спотворення струму на вході магнітного синтезатора вбирається у 8%, незалежно від спотворення струму навантаження.
Мал. 6. Регулювальні характеристики магнітного синтезатора.
Деякі технічні характеристики магнітних синтезаторів моделі Datawave наведені у таблиці №3.