У Вас проблемы с электропитанием?          Разрешите представиться, мы небольшая команда опытных специалистов, которые готовы Вам помочь в ее решении. Чем сложнее, тем нам интересней...

 

г.Киев ул. Новоконстантиновская 1В

тел.(044)331-1706, 587-8791

 моб. 097-204-8038

e-mail: 3311706@ukr.net

новый раздел "МАГАЗИН" на нашем новом портале europowergenerators.com.ua
   главная       карта сайта      поиск      обратная связь                                     

NEW
Каталог-МАГАЗИН

bullet измерение параметров электросети
bullet стабилизаторы напряжения
bullet электростанции
bullet системы запуска электрогенератора и АВР
bullet электропитание котельного оборудования
bullet источники бесперебойного питания UPS
bullet инверторы преобразователи  напряжения
bullet аккумуляторы
bullet гарантийные обязательства
bullet сервисный центр
bullet статьи, инструкции
bullet фото
bullet вакансии

UkraiNet Yellow Pages

Курсы наличного обмена на сегодня

Курсы НБУ на сегодня

Rambler's Top100

Era.com.ua Интернет Портал, Поиск, Сервисы

 

Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания

Уровень сложности оборудования в сфере компьютерных технологий постоянно повышается. Поэтому системы обеспечения качества электроснабжения должны быть разработаны таким образом, чтобы они были способны справиться с широким спектром проблем, начиная от провалов, колебаний, выбросов напряжения, высокочастотных шумов, импульсных помех и заканчивая обеспечением электропитанием при полном отсутствии напряжения промышленной сети. Одну из таких проблем представляют искажения формы напряжения, вызванные гармоническими составляющими тока, потребляемого нелинейной нагрузкой.

Большая часть компьютерного и офисного оборудования представляет собой нелинейную электрическую нагрузку, что создает искажения в питающей сети. Суммарный эффект этих нагрузок выражается в искажении напряжения, которое воздействует на другое оборудование, получающее электропитание от того же источника. Это может вызывать перегрев и рассинхронизацию в других устройствах, сбои в коммуникациях и сетях передачи данных, повреждении аппаратуры и другие нежелательные эффекты.

Степень искажений может быть определена коэффициентом искажения синусоидальности Ки - отношением действующего значения высших гармонических к действующему значению основной (первой) гармоники [ 1 ] и коэффициентом амплитуды (крест-фактором) нагрузки Ка - отношением пикового значения потребляемого тока к его действующему значению.

Эффекты, вызываемые высшими гармониками напряжения и тока.

Последние могут быть разделены на эффекты мгновенного и длительного возникновения.

Проблемы мгновенного возникновения включают:

bulletискажение формы питающего напряжения;
bulletпадение напряжения в распределительной сети;
bulletэффект гармоник, кратных трем (в трехфазных сетях);
bulletрезонансные явления на частотах высших гармоник;
bulletнаводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;
bulletповышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;
bulletвибрация в электромашинных системах.

Проблемы длительного возникновения включают:

bulletнагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах;
bulletнагрев конденсаторов ;
bulletнагрев кабелей распределительной сети.

Рассмотрим подробнее причины возникновения указанных эффектов и возможные пути и средства их решения.

Форма питающего напряжения.

Повышенное значение коэффициента амплитуды указывает на то, что имеется большой пик потребляемого тока за половину периода сетевой частоты. Чем выше пиковое значение тока и меньше его длительность за полупериод напряжения сети, тем больше его искажение. Коэффициент амплитуды тока данной нагрузки изменяется в зависимости от характера источника электропитания, в то время как способность самого источника к обеспечению нагрузок с большим коэффициентом амплитуды определяется его полным внутренним сопротивлением и его способностью обеспечивать пиковые значения потребляемого от него тока.

Для многих устройств, выполняющих функции источников электропитания, такая способность может быть достигнута только путем завышения номинальных параметров этого оборудования. В частности, в современных генераторных установках переменного тока сверхпереходное реактивное сопротивление составляет приблизительно 15%, что производит достаточно неблагоприятное воздействие на форму напряжения, если не используются специальные обмотки или мощность генератора не будет выбрана заведомо завышенной.

Современные источники бесперебойного питания (ИБП) способны контролировать форму напряжения на каждом полупериоде синусоиды. В настоящее время в подавляющем большинстве систем бесперебойного питания практически любой мощности используются инверторы на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) при высокочастотном широтно-импульсном методе их управления. Такие системы обладают способностью питания нагрузок с высокими коэффициентами амплитуды тока (3 и выше) за счет переключений на высокой частоте и корректировке формы напряжения на каждом полупериоде. Эта способность отдавать ток с высокими пиковыми значениями может приводить к тому, что форма напряжения на выходе ИБП с двойным преобразованием энергии заметно лучше, чем у промышленной сети на входе системы.

Падения напряжения в распределительной сети.

Большинство ИБП способно питать нагрузки с высоким значением коэффициента амплитуды, причем коэффициент искажения синусоидальности напряжения не превышает 3-6 %. Однако это уровень искажений напряжения, получаемый при замерах на выходных клеммах самих ИБП, но не в местах подключения нагрузки.

Следует учитывать, что форма тока из-за высокого процентного содержания высших гармоник будет сильно отличаться от синусоидальной. Формы токов для однофазного (рис. 1) и трехфазного (рис. 2) выпрямителей характеризуются определенным процентным содержанием нечетных высокочастотных гармоник (таблица 1). [ 3 ] Соответствующие спектры таких токов приведены на рис. 3.


Рис.1. Форма тока однофазного выпрямителя.


Рис.2. Форма тока трехфазного выпрямителя.

а)

б)

Рис.3. Спектры входных токов выпрямителей: а) однофазного, б) трехфазного.


Таблица 1. Спектральный состав тока на входе ИБП (пример - при 100% нагрузке для ИБП
без входного фильтра и корректора коэффициента мощности)

N гармоники,
n
однофазный ИБП,
In / I1 (%)
трехфазный ИБП,
In / I1 (%)
1 100 100
3 65,7 -
5 37,7 33
7 12,7 2,7
9 4,4 -
11 5,3 7,3
13 2,5 1,6
15 1,9 -
17 1,8 2,6

Полное сопротивление распределительной сети имеет в значительной степени индуктивный характер. Поэтому при очень высоком содержании гармоник токов соответствующее падение напряжения на кабелях и проводах становится намного выше предельно допустимых значений [ 1 ], и в типичных распределительных системах с кабельными трассами длиной более 100 метров может происходить сильное искажение напряжения на нагрузке. Примером таких искажений может служить графики тока и напряжения на входе однофазного выпрямителя в зависимости от величины относительной реактивной составляющей сопротивления входного фидера или внутреннего сопротивления источника питания выпрямителя (рис. 4) [ 4 ].


Рис.4. Формы напряжения и тока на входе бестрансформаторного однофазного выпрямителя
в зависимости от относительной реактивной составляющей сопротивления входного фидера.

Эффект гармоник кратных третьей.

Высшие гармоники тока кратные трем (т.е. 3, 9, 15, 21 и т. д.), определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу, и в результате сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю. Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле.

Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник. Однако некоторые из них имеют направление вращения вектора тока в ту же сторону, что и основная гармоника (первая, "фундаментальная", т.е. 50 Гц), то есть они имеют прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении и, таким образом, имеют обратную последовательность. Это не относится к гармоникам, кратным третьей:

n = 3 (2 k + 1) , где k = 0, 1, 2, ... ( 1 )

В трехфазных цепях они сдвинуты на 360 градусов друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали (рис. 5).


Рис.5. Процесс формирования тока нейтрали при нелинейной нагрузке.

В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи.

    ( 2 )

Так, например, при фазных токах равных 37 А, ток нейтрали составляет 55 А при частоте, равной 150 Гц. [ 2 ]. Неправильно спроектированные четырехпроводные кабели трехфазных сетей могут перегреваться вплоть до воспламенения, подтверждая тем самым необходимость увеличения сечения проводников нейтрали трехфазных кабелей сети электропитания компьютерного оборудования. Гармоники, кратные третьей, приводят к падениям напряжения как в нейтрали, так и в фазных проводниках, вызывая искажения формы напряжения на других нагрузках, подключенных к этой сети.

Кроме указанного выше, в межфазных напряжениях трехфазной сети будут отсутствовать гармоники, кратные трем, в связи с чем соотношение между фазным и междуфазном напряжений при несинусоидальных тока становится меньше, чем .

Резонансные явления на частотах высших гармоник.

При наличии высших гармоник в электрических цепях со сосредоточенными и распределенными параметрами, какими могут быть представлены блоки, узлы и распределительные сети системы электропитания, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока или напряжения эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники тока (напряжения) на тех же участках цепи. Это отрицательным образом может отразиться на работоспособности отдельных элементов и узлов системы.

Наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях.

Когда телекоммуникационные или управляющие сети проходят вблизи силовых сетей, по которым протекают токи высших гармоник, в первых могут наводиться помехи и искажения информационного сигнала. Величина искажения будет зависеть от частоты высших гармоник, длины параллельных участков сетей и расстояния между ними.

Акустический шум.

В трансформаторах, дросселях и других электромагнитных элементах высшие гармоники тока, создавая электродинамические усилия, вызывают дополнительные акустические шумы.

Вибрация в электромашинных системах.

Наличие высших гармоник в напряжении питания индукционных электродвигателей является причиной возникновения в магнитном потоке составляющих на частотах высших гармоник, которые в свою очередь будут наводить гармоники ЭДС и, как следствие этого, в обмотках ротора появляются высшие гармоники тока. Эти гармоники будут взаимодействовать с основным магнитным потоком, создавая дополнительные механические моменты на валу электрической машины. В результате создаются гармонические пульсации вращающего момента на валу двигателя. В экстремальных случаях может возникнуть вибрация на резонансной частоте вращающейся массы ротора, приводящая к накоплению усталости металла и возможному разрыву вала ротора электродвигателя [ 5 ].

Нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах.

Дополнительные потери, вызывающие перегрев трансформаторов при наличии высших гармоник, возникают из-за скин-эффекта в меди обмотки (увеличение активного сопротивления обмотки с ростов частоты), а также увеличением потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе трансформатора.

В электрических машинах, кроме аналогичных потерь в статоре (потери в меди и магнитопроводе), из-за значительной разнице в скоростях вращающихся магнитных полей, создаваемых высшими гармониками, и скоростью вращения ротора возникают дополнительные потери в демпферных обмотках ротора и магнитопроводе электрической машины [ 6 ].

Нагрев конденсаторов.

Дополнительные потери при наличии высших гармоник в конденсаторах обусловлены увеличением "угла потерь" в диэлектрике и ростом действующего значения тока конденсатора. Возникающий перегрев в конденсаторе может приводить к пробою диэлектрика. Кроме этого, конденсаторы чувствительны к перегрузкам, вызываемым присутствием высших гармоник напряжения.

Нагрев кабелей распределительной сети.

Дополнительные потери в кабелях силовой сети, приводящие к повышению температуры проводников, при наличии высших гармоник тока вызываются следующими основными причинами :

bulletувеличением действующего значения негармонического тока;
bulletувеличением активного сопротивления проводника из-за скин-эффекта;
bulletувеличением потерь в диэлектрике изоляции кабеля.

Возможные средства решения проблемы

Различные методы могут использоваться, чтобы попытаться ослабить влияние проблем, вызываемые высшими гармониками тока при нагрузках с высоким значением коэффициента амплитуды.

Обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы.

В первую очередь необходимо добиться, насколько это возможно, сбалансированности нагрузок по фазам. При этом обеспечивается минимальный ток в проводнике нейтрали и минимальное содержание гармоник в выходном напряжении ИБП. Соответствующие схемы контроля и управления в ИБП будут поддерживать номинальное действующее значение выходного напряжения, в то же самое время стремясь обеспечить его синусоидальную форму. Не всегда возможно одновременно выполнить обе эти функции. В общем случае несбалансированная нагрузка воздействует на напряжение, вызывая его искажение. Хотя оно и относительно мало по величине, но так же добавляется к общим искажениям в кабеле. Обычно преобладают те искажения напряжения, которые сгенерированы в распределительной сети.

Одним из рациональных способов симметрирования однофазных нагрузок в трехфазной сети является использование ИБП с двойным преобразованием энергии при трехфазном входе и однофазном выходе (3ф / 1ф). В этом случае разгружается нейтраль, т.к. она не участвует в работе трехфазного выпрямителя на входе ИБП, находящейся в нормальном режиме преобразования напряжения. Однако этот эффект пропадает при переходе ИБП на режим "Bypass".

Включение в систему разделительного трансформатора с обмотками "треугольник-звезда".

Этот метод использовался на практике, но не всегда с успехом [ 7 ]. Предполагалось, что в этом случае трансформатор не пропускает гармоники, кратные третьей, и что отсутствие проводника нейтрали на стороне первичной обмотки исключает падение напряжения на нейтрали. Но такое утверждение оказалось правильным лишь частично. Сбалансированные гармоники, кратные третьей, наводят соответствующие магнитные потоки в стержнях сердечника трансформатора и, если они равны по величине и совпадают по фазе, то напряжения, наведенные в первичной обмотке, будут скомпенсированы.

Кроме этого любой трансформатор имеет индуктивность рассеяния, которая добавляется к существующему полному входному сопротивлению распределительной сети. Это может оказывать эффект уменьшения коэффициента амплитуды тока нагрузки и суммарного значения коэффициента искажений синусоидальности тока. Однако искажение напряжения увеличивается, а достижимое максимальное значение напряжения постоянного тока для питания инвертора ИБП снижается.

Использование фильтров подавления гармоник.

Третья гармоника является доминирующей по своему наиболее неблагоприятному воздействию в однофазных цепях. Включение в схему фильтра, который имеет низкое полное сопротивление на частоте этой гармоники, понижает генерируемое нелинейной нагрузкой напряжение. Применение таких фильтров в случае систем бесперебойного питания наиболее успешно для компенсации эффекта несбалансированных нагрузок, которые имеют тенденцию генерировать высокие уровни гармоник. Фильтры могут быть установлены как внутри ИБП, так и расположены на выходном конце кабеля (т.е. на стороне нагрузки). Тогда токи третьей гармоники циркулируют между нагрузкой и фильтром, частично снижая суммарный ток в проводнике нейтрали.

Однако такое подключение не дает окончательного решения проблемы, если на выходе ИБП подключены распределенные нагрузки. Установленный таким образом фильтр защищает только часть нагрузки, к которой он непосредственно подключен. Поэтому схема подключения должна быть такой, чтобы фильтр защищал всю нагрузку, а не только ее часть. Это может вызвать затруднения по стоимости оборудования и необходимой занимаемой площади при расстановке дополнительных устройств в нескольких участках распределительной сети на различных этажах здания.

Особое значение имеют фильтры, устанавливаемые на входе ИБП. Шестиполупериодные выпрямители, применяемые в трехфазных ИБП, создают высокий уровень пятой гармоники тока в питающей сети. Для снижения гармонического состава потребляемого тока и повышения коэффициента мощности системы в фазные провода включают индуктивные сопротивления (дроссели). Повышением эффективности подавления высших гармоник тока является включение входного фильтра ИБП, настроенного на пятую гармонику.

Применение двенадцатиполупериодного выпрямителя в ИБП.

Для снижения величины коэффициента искажения синусоидальности входного тока трехфазных ИБП до уровня менее 10% используют 12-полупериодные выпрямители.

Снижение полного сопротивления распределительной сети.

Это один из эффективных методов снижения нелинейных искажений. Кабели и сборные шины имеют полное сопротивление, которое прямо связано с длиной линий. Увеличение сечения кабелей (проводов) снижает активное сопротивление распределительной сети, но не снижает ее индуктивность. Максимальное эффективное сечение жил кабелей (проводов) составляет приблизительно 95 кв. мм. [ 7 ] С дальнейшим увеличением сечения кабелей их индуктивность остается относительно постоянной. Очевидно, что более эффективным будет использование параллельно соединенных кабелей (проводов). При возможности использования децентрализованной системы бесперебойного питания следует рассмотреть разделение всего инсталлируемого оборудования (т.е. устройств, входящих в состав защищаемой нагрузки) на секции, каждая из которых будет запитана от отдельного источника бесперебойного питания (ИБП).

Следует помнить о том, что во время профилактических, ремонтных и т.п. работ системы бесперебойного питания должны и могут быть переключены в режим обхода (Bypass). При этом возможно возрастание уровня искажений, т.к. нелинейная нагрузка напрямую будет подключена к первичному источнику переменного напряжения (генератор, трансформатор подстанции и т. п.). Форма напряжения сетевого электропитания часто бывает искажена из-за других нагрузок, не относящихся к критическим, но имеющих характеристики, подобные компьютерному и офисному оборудованию. Искажения формы напряжения электропитания, сгенерированные другим оборудованием, добавятся к искажениям от компьютерной нагрузки, которая была переключена на питание непосредственно от сети (на время профилактики или ремонта ИБП), создавая, таким образом, более высокие уровни искажений.

Климов В.П., Москалев А.Д.

Литература

1. ГОСТ 13109 - 97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Капустин В.М., Лопухин А.А. Компьютеры и трехфазная электрическая сеть // Современные технологии автоматизации - СТА, №2, 1997, стр. 104-108.
3. Dugan R.C., McGranaghan M.F., Beaty H.W. Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill, 1996. - 265 стр.
4. Fiorina J.N. Inverters and Harmonics // Cahier Technique Merlin Gerin, no 159. - 19 стр.
5. Yacamini R. Power System Harmonics. Part 3 - Problems caused by distorted supplies // Power Engineering Jounal, Oct., 1995, стр. 233-238.
6. Harmonic Disturbances in Networks and Their Treatment // Cahier Technique Schneider Electric, no 152. - 25 стр.
7. Forrester W. Networking in Harmony // Electrical Contractor, Nov. / Dec., 1996, стр. 38-39.

 

Способы подавления гармоник тока в системах электропитания

Настоящая публикация является продолжением темы, поднятой в предыдущей статье.

Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьезные проблемы для систем электропитания. Гармонические составляющие представляют собой токи с частотами, кратными основной частоте источника питания. Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику, приводят к искажению формы тока. В свою очередь искажения тока влияют на форму напряжения в системе электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы.

Наиболее распространенным оборудованием, генерирующим высшие гармоники тока в сеть, являются:

bulletстатические преобразователи (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания и т.д.);
bulletгазоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;
bulletэлектродуговые печи постоянного и переменного тока;
bulletсварочные аппараты;
bulletустройства с насыщающимися электромагнитными элементами;
bulletэлектродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения;
bulletспециальные медицинские приборы и т.д.

Указанные устройства являются генераторами высших гармоник тока в системе электропитания. В зависимости от места своего подключения и процентного соотношения с линейными нагрузками в этой системе они тем или иным образом будут оказывать влияние на другие нагрузки. Увеличение общего действующего значения тока при наличие высших гармонических в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок.

Рассмотрим основные способы подавления высших гармоник тока путем применения:

bulletлинейных дросселей,
bulletпассивных фильтров,
bulletразделительных трансформаторов,
bulletмагнитных синтезаторов,
bulletактивных кондиционеров гармоник.

1. Включение линейных дросселей.

Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть является последовательное включение линейных дросселей (рис. 1). Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. При этом снижается коэффициент амплитуды (крест-фактор) Ka и коэффициент искажения Kи входного тока.

  - коэффициент амплитуды, (1)
  где: - амплитуда импульса тока,
  - действующее значение несинусоидального тока.

 
    (2)
  где: - действующее значение основной (первой) гармоники тока,
  - действующее значение "n"-ой гармоники тока.

 
  - коэффициент искажения тока. (3)



Рис 1. Кривые токов нелинейных нагрузок:
а) без дросселя, б) при последовательном включении дросселя.

В таблице № 1 приведены значения коэффициента искажения тока на входе трехфазного мостового выпрямителя при различных значениях относительного индуктивного сопротивления дросселя на основной частоте (Хдр) [ 2 ].

Taблица 1.

Хдр % 1 2 3 4 5 8
Ки % 75 52 45 40 35 28

2. Применение пассивных фильтров.

Применение последовательно включенных линейных дросселей в ряде случаев не позволяет уменьшить гармонические искажения тока до желаемых пределов. В этом случае целесообразно применение пассивных LC-фильтров, настроенных на определенный порядок гармоник. Для улучшения гармонического состава потребляемого тока такие фильтры нашли широкое применение в системах с источниками бесперебойного питания (UPS). Подключение фильтра на входе шестиполупериодного выпрямителя при 100% нагрузке UPS обеспечивает снижение коэффициента искажения тока до величины 8-10% . Значения этого коэффициента в системе без фильтра может достигать 30% и более. На рис. 2г приведена реализация трехфазного LC-фильтра, применяемого как опциональное устройство в 3-х фазных UPS.

Различают следующие разновидности пассивных фильтров [ 4 ]:

bulletнескомпенсированный LC-фильтр;
bulletскомпенсированный LC-фильтр;
bulletнескомпенсированный LC-фильтр с коммутатором.




Рис 2. Пассивные фильтры:

a) некомпенсированный LC-фильтр;
б) компенсированный LC-фильтр;
в) некомпенсированный LC-фильтр с коммутатором;
г) трехфазный вариант LC фильтра.

Нескомпенсированный фильтр содержит продольную индуктивность Др1 и поперечную цепь, состоящую из последовательно включенных индуктивности Др2 и емкости С, настроенных на определенную гармонику (рис. 2а). Если фильтр настроен на 5-ую гармонику, то сопротивление поперечной цепи близко к нулю и ток, потребляемый от источника, не будет содержать эту гармонику. Недостатком такого фильтра является следующее. При использовании в качестве первичного источника питания дизель-генераторную установку (ДГУ) с ограниченной установочной мощностью, последний может обеспечить относительно низкое значение емкостной составляющей тока нагрузки (10-30%).

При включении UPS на ДГУ, когда осуществляется "мягкий" старт выпрямителя, активная мощность, потребляемая нагрузкой, равна нулю и генератор ДГУ оказывается нагруженным только на емкостное сопротивление фильтра. Значительная емкостная составляющая потребляемого от генератора тока может привести к нарушению нормальной работы генераторной системы и отключению ДГУ. Следовательно, возможность использования нескомпенсированных LC-фильтров должна быть проанализирована с точки зрения согласования характеристик генератора и параметров фильтра.

Скомпенсированный фильтр содержит дополнительную поперечную индуктивность Др3, способствующую тому, что фильтр по отношению к генератору имеет индуктивный характер (рис. 2б). Это снижает емкостную составляющую потребляемого тока и облегчает работу генератора в пусковом и установившемся режимах. Однако наличие Др3 приводит к снижению коэффициента мощности системы в целом.

Нескомпенсированный фильтр с коммутатором удобен при использовании ДГУ ограниченной мощности, соизмеримой с мощностью UPS. Поперечная цепь фильтра подключается автоматически только после выхода UPS на номинальный режим (рис. 2в).

Таким образом, не требуется применение ДГУ завышенной мощности и не снижается коэффициент мощности системы.

3. Применение специальных разделительных трансформаторов.

Разделительный трансформатор с обмотками "треугольник-звезда" позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют "перекрестную" (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора.

При несинусоидальных токах возрастают потери в трансформаторах главным образом за счет потерь на вихревые токи, что требует увеличение их установочной мощности или применения специальных К-фактор трансформаторов [ 3 ]. К-фактор трансформаторы отличаются от стандартных тем, что имеют дополнительную теплоемкость, позволяющая выдержать нагревание, вызванное высшими гармониками тока. Кроме того, специальная конструкция такого трансформатора позволяют свести к минимуму потери на вихревые токи и потери из-за паразитной емкости.

К-фактор представляет собой коэффициент, характеризующий вклад высших гармоник в процесс нагрева трансформатора. Если К-фактор равен единице, то это означает, что нагрузка линейная и в цепи протекает синусоидальный ток. Значения К-фактора выше единицы указывают на дополнительные тепловые потери при нелинейных нагрузках, которые трансформатор способен безопасно рассеять.

Обозначим:

  - весовой коэффициент гармоники несинусоидального тока, (4)
  (5)

Сумма квадратов весовых коэффициентов гармоник при учете всех высших гармоник равна единице. Ограничение числа высших гармоник при расчете К-фактора приводит к определенному уменьшению этого параметра. Ниже приводится таблица расчета К-фактора для нелинейной нагрузки типа однофазного мостового выпрямителя с учетом высших гармоник тока до n=11.

Taблица 2.

n In% In2 Kn Kn2 Kn2 x n2
1 100 1 0,792 0,626 0,626
3 65,7 0,432 0,52 0,27 2,434
5 37,7 0,142 0,298 0,089 2,226
7 12,7 0,016 0,101 0,01 0,495
9 4,4 0,002 0,035 0,001 0,098
11 5,3 0,003 0,042 0,002 0,213
Сумма   1,595   0,998 6,092

Из приведенной таблице следует, что при коэффициенте искажения тока:

  Ки = x 100% = 77,1%     имеем К-фактор = 6,092.

В мировой практике встречаются характерные значения К-фактора: 4, 9, 13, 20. В помещениях, имеющих нелинейные нагрузки, и компьютерных залах К-фактор обычно составляет 4-9. В зонах с телекоммуникационным оборудованием, высокой концентрацией однофазных компьютерных терминалов К-фактор может достигать значений 13-17 [ 5 ].

4. Применение магнитных синтезаторов.

Магнитный синтезатор, выпускаемый Liebert Corporation [ 3, 6 ], обеспечивает защиту нагрузки от различных искажений электропитания, в частности, от провалов и выбросов напряжения, импульсных и высокочастотных помех, наличия высших гармоник, вызывающих искажения синусоидальной формы входного напряжения. Выходное напряжение магнитного синтезатора на каждом полупериоде основной частоты генерируется путем объединения шести прямоугольных импульсов от связанных между собой трансформаторов с насыщением, аналогично инверторам со ступенчатым (пошаговым) принципом управления. Однако магнитный синтезатор не содержит каких-либо силовых полупроводниковых элементов, выполняя функцию стабилизатора напряжения.


Рис. 3. Блок-схема магнитного синтезатора.

Блок-схема магнитного синтезатора представлена на рис. 3. Линейные дроссели преобразуют входной источник напряжения в источник тока. В этом случае ток блока трансформаторов не зависит от меняющихся в широких пределах (± 40%) значений входного напряжения. Такой способ передачи энергии практически полностью исключает помехи и возможные колебания входного напряжения. Через блок гальванической развязки энергия передается в блок импульсных трансформаторов и блок конденсаторов. Шесть соединенных друг с другом импульсных трансформаторов с насыщением создают форму синтезированного напряжения. Каждый трансформатор генерирует на полупериоде один из шести импульсов с определенной вольт-секундной площадью (рис. 4), обеспечиваемой специальной конструкцией трансформаторов и блоком конденсаторов. Непрерывный обмен энергией, накопленной в блоке импульсных трансформаторов и в блоке конденсаторов, обеспечивает глубокое насыщение сердечников трансформаторов и точную регулировку формируемых импульсов по амплитуде и длительности.


Рис. 4. Процесс формирования выходного напряжения магнитного синтезатора.

Рассмотрим принцип работы магнитного синтезатора. В любой момент времени пять из шести сердечников блока трансформаторов находятся в режиме насыщения и представляют собой короткозамкнутые контуры. Когда сердечник шестого трансформатора насыщается, напряжение на этом трансформаторе падает практически до нуля, при этом изменяется полярность напряжения на очередном трансформаторе на обратную, вызывая переход его сердечника в ненасыщенное состояние и формирование первого импульса в синтезируемом напряжении следующего полупериода. Такое последовательное переключение импульсных трансформаторов производит серию определенных импульсов напряжения, используемых как блоки для формирования синтезированного напряжения (рис. 4). Это напряжение поступает на нагрузку через фильтры, настроенные на вторую и третью гармоники, что обеспечивает коэффициент искажения выходного напряжения не выше 4% независимо от степени искажения напряжения на входе магнитного синтезатора. Трехфазное выходное напряжение подается к нагрузке через Zig-Zag трансформатор, формирующий нейтраль выходной цепи и обеспечивающий снижение влияния асимметрии нагрузки на работу синтезатора. Даже полностью несогласованная но фазам нагрузка (100% асимметрия) не приводит к изменениям выходного напряжения более чем + 5%, ( 2%. При этом выходная цепь, включая нейтраль, полностью изолирована от входной цепи электропитания.

Вариант реализации принципиальной схемы магнитного синтезатора приведен на рис. 5 [ 7 ].



Рис. 5. Вариант реализации схемы магнитного синтезатора.

На рис.6 представлены регулировочные характеристики при различных величинах загрузки магнитного синтезатора. Как видно из семейства регулировочных характеристик, отклонение выходного напряжения от номинального значения не превышает 5% при изменении нагрузки от 0 до 100% и входного напряжения в пределах ± 40%. При этом магнитный синтезатор поглощает высшие гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, подключенными на его выходе. Коэффициент искажения тока на входе магнитного синтезатора не превышает 8%, независимо от искажения тока нагрузки.



Рис. 6. Регулировочные характеристики магнитного синтезатора.

Некоторые технические характеристики магнитных синтезаторов модели Datawave приведены в таблице № 3.

Taблица 3.

Диапазон мощностей (КВА) 15 - 200
КПД (%) 93 при нагрузке100%,
89 при нагрузке 50%
Входной коэффициент мощности 0,95 при нагрузке 25-100%
Перегрузочные способности 150% в течение 20 мин.
Ток короткого замыкания 250% от Iном.
Пределы изменения входного напряжения ±40%
Точность стабилизации выходного напряжения не более ±5%
при нагрузке 0-100%
Коэффициент искажения выходного напряжения не более 4%
Коэффициент искажения входного тока не более 8%

5. Применение активного кондиционера гармоник

Активный кондиционер гармоник (Active Harmonic Conditioner - AHC) [ 8, 9, 10 ] в отличие от магнитного синтезатора подключается не последовательно с нелинейной нагрузкой, а параллельно ей (рис.7).



Рис. 7. Схема включения активного кондиционера гармоник (АКГ).

Принцип действия активного кондиционера гармоник (АКГ) основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Ток нелинейной нагрузки содержит основную ( i1 ) и высшие ( in ) гармоники:

  (6)

Ток АКГ содержит противофазные току нагрузки высшие гармоники:

 

  (7)

В результате ток, потребляемый от источника, практически синусоидален, так как содержит только основную (первую) гармонику:

 

  (8)

Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а АКГ покрывает практически весь спектр высших гармоник от 2-ой до 25-ой. АКГ может быть установлен в любой точке распределительной сети и способен компенсировать высшие гармоники от одной или нескольких нелинейных нагрузок.

Модели АКГ, выпускаемые MGE UPS SYSTEM под названием SineWave, могут обеспечить компенсацию действующих значений высших гармоник от 20 до 120 А [ 4 ].

В таблице № 4 приведены действующие значения и коэффициенты искажения токов в системе с АКГ при различных нагрузках UPS с трехфазным мостовым выпрямителем, а на рис. 8 изображены соответствующие кривые токов [ 9, 10 ].

Таблица 4.

Ток нагрузки
Inl, A
Ки нагрузки
Киnl, %
Ток АКГ
Iahc, A
Ток источника
Ips, A
Ки источника
ps, %
44 80 26 35 4,6
82 41 30 75 3,6




Рис. 8. Кривые токов в системе с АКГ:

a) ток нагрузки;
б) ток АКГ;
г) ток источника.

Связь между действующими значениями токов нагрузки и источника устанавливается следующим выражением:

  (9)

В первом приближении можно считать, что действующие значение тока АКГ, необходимое для компенсации высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой в распределительную систему определяется следующим соотношением:

  (10)

Повышенное значение тока, получаемое из выражения (10), объясняется тем, что АКГ обеспечивает компенсацию гармоник не выше 25-ой и может быть настроен на компенсацию гармоник ниже указанного порядка, тогда как в составе тока нагрузки могут присутствовать гармоники более высокого порядка.

Блок-схема АКГ "SineWave" приведена на рис. 9. В состав АКГ входят следующие узлы: IGBT-преобразователь, устройство управления и контроля, блок защиты и мягкого пуска и токовые датчики. Преобразователь АКГ содержит трехфазный инвертор на IGBT транзисторах, коммутируемых с тактовой частотой 16 КГц, два конденсатора С1, С2 и линейные дроссели в каждой фазе (Др1). Устройство управления и контроля состоит из блока анализа гармоник тока, блока установки номеров компенсируемых гармоник, блока управления преобразователем и мониторинга.



Рис. 9. Блок-схема АКГ "SineWave" (условно изображена силовая цепь одной фазы).

На анализатор гармоник поступают сигналы с быстродействующих датчиков тока нагрузки (ДТ1) и тока АКГ (ДТ2). Блок защиты и мягкого пуска содержит быстродействующие предохранители и с помощью контактора и балластного сопротивления обеспечивает плавный заряд конденсаторов С1, С2 в период включения АКГ.

В таблице № 5 приведены некоторые технические характеристики АКГ "SineWave" [ 11 ].

Taблица 5.

Пределы входного напряжения, В 400 -20%, +15%
Номиналы действ. значений компенсируемых гармоник тока, A 20, 30, 45, 60, 90, 120
Динамические возможности, кА/с, более 100-400 при 20-120 А
Время переходного процесса, мс 40
Потери, кВт, не более 1,0-5,2 при 20-120 А

Применение АКГ обеспечивает значительное снижение коэффициента амплитуды тока в распределительной сети по сравнению с существующими коэффициентами тока нелинейных нагрузок. Это, как следствие, способствует увеличению коэффициента мощности системы и уменьшению потерь на участках распределительной сети.

Различают следующие способы компенсации гармоник с использованием АКГ:

bulletлокальный (индивидуальный);
bulletглобальный (общий);
bulletмногоуровневый (распределенный);
bulletкаскадный (последовательное включение);
bulletмультикомпенсационный.

При локальном способе обеспечивается защита критичных нагрузок, подключенных в распределительную сеть, от повышенного уровня гармоник, генерируемых одной из нелинейных нагрузок. В этом случае АКГ подключается как можно ближе к наиболее мощной нелинейной нагрузке (рис. 10 а).

Для увеличения номинального значения тока компенсации и (или) повышения надежности системы возможно параллельное включение АКГ на одну нелинейную нагрузку (рис.10 б). SineWave допускает работу в параллель до 4-х модулей. При этом, если один из модулей выходит из строя или отключается, то остальные остаются в работе.

При глобальном способе обеспечивается компенсация гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, которые подключены к силовому фидеру электропитания и расположены в других зданиях, цехах или зонах технологического процесса. В этом случае АКГ должно подключаться к главному распределительному щиту (рис. 10 в).

В случае группы нелинейных нагрузок целесообразен мультикомпенсационный способ, при котором один модуль АКГ способен компенсировать гармоники от трех нелинейных нагрузок (рис. 10г).

Каскадный способ включения АКГ позволяет избежать взаимовлияние различных кондиционеров в системе (рис. 10 д). Первый кондиционер (АКГ1) обеспечивает защиту от гармоник мощной нелинейной нагрузки, а второй кондиционер малой мощности (АКГ2) осуществляет компенсацию гармоник от других маломощных нелинейных нагрузок. Каскадное включение увеличивает степень компенсации гармоник тока при изменении нагрузки при использовании АКГ с меньшими номинальными значениями тока компенсации.

Многоуровневый способ предусматривает подключение АКГ на нескольких уровнях распределительной сети (рис. 10 е), что может быть сведено к каскадному способу включения АКГ.

а) Локальное включение АКГ. б) Параллельное включение АКГ.

 
в) Глобальное включение АКГ. г) Мультикомпенсационное включение АКГ.

 
д) Каскадное включение АКГ. е) Многоуровневое включение АКГ.

Рис. 10. Способы компенсации гармоник.

Заключение

Следует отметить, что для точного решения задачи по кондиционированию гармоник требуется:

bulletзнание условий эксплуатации и технические характеристики источников энергии, распределительной системы и автоматов защиты;
bulletточного знания характеристик нагрузок (гармонического состава токов, потребляемой мощности, места их подключения в системе электропитания);
bulletиспользование специальных измерительных приборов для экспериментального определения гармонического состава тока в различных участках распределительной системы электропитания;
bulletпроведение анализа и моделирования изучаемой системы электропитания.

Комплекс этих мероприятий необходим для правильного проектирования системы электропитания и выбора требуемой спецификации оборудования, способной обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС), соответствующую современным международным стандартам.

Климов В.П., Москалев А.Д.

Литература

1. Климов В.П., Москалев А.Д. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания // Практическая силовая электроника. Науч.-техн.сб./Под ред. Малышкова Г.М., Лукина А.В.- М.: АОЗТ "ММП-Ирбис", 2002. Вып 5. С.
2. Houdek J.A. Economical Solutions to Meet Harmonic Distortion Limits // MTE Corporation, 1999.- 5 p.
3. Dugan R.C., McGranaghan M.F., Beaty H.W. Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill, 1996.- 265 p.
4. UPS and Power Protection Solution. Design Guide // MGE UPS Systems, MGE 0135, 1998.- 259 p.
5. K-Factor Transformers and Nonlinear Loads // Liebert Corporation, 1997.- 4 p.
6. The Datawave Magnetic Synthesizer As a Solution to Harmonics // Liebert Corporation, 1997.- 6 p.
7. Gruzs T.M. An Optimized Three-Phase Power Conditioner Featuring Deep Sag Protection and Harmonic Isolation // Liebert Corporation, 1996.- 10 p.
8. Bettega E., Fiorina J.N. Active Harmonic Conditioners and Unity Power Factor Rectifiers // Cahier Technique Schneider Electric, ECT 183, 1999.- 28 p.
9. Bernard S., Fiorina J.N., Gros B., Trochain G. THM Filtering and the Management of Harmonic Upstream of UPS // MGE UPS Systems, MGE 0246, 2000.- 17 p.
10. Bernard S., Trochain G. Compensation of Harmonic Currents Generated By Computers Utilizing an Innovative Active Harmonic Conditioner // MGE UPS Systems, MGE 0128, 2000.- 19 p.
11. SineWave THM Active Harmonics Conditioners // MGE UPS Systems, MGE 0023, 1997. - 8 p.

 

Статья взята с сайта www.tensy.ru

 
 

   


Дата изменения: 14.03.2012