Устройство и способ подавления гармоник на выходе преобразователя частоты
DEVICE AND METHOD FOR SUPPRESSING HARMONICS AT FREQUENCY CONVERTER OUTPUT

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, в частности к системам электропитания с использованием частотного преобразователя (ПЧ) для погружных электродвигателей в нефтедобывающей промышленности и прочих потребителей с нелинейной нагрузкой.
Нелинейная нагрузка, как известно, вызывает гармонические искажения напряжения питающей сети за счет высших гармоник тока, в трехфазных цепях, как правило, 5-ой, 7-ой, 11-ой, 13-ой, и т.д.
Высшие гармоники тока нагрузки в системах электроснабжения искажают форму напряжения на шинах питающих трансформаторов, увеличивают потери энергии в подводящих сетях, вызывают преждевременное старение изоляции, за счет чего снижается надежность и долговечность электрооборудования. Именно поэтому во многих странах введены государственные стандарты, регламентирующие допустимые уровни гармонических искажений напряжения, вызванные током нагрузки.
В частности заявленное изобретение может быть использовано в преобразователях частоты для управления погружными вентильными электродвигателями, которые широко применяются в нефтедобывающей промышленности, где эффективно используются в качестве приводов для плунжерных погружных насосов. Примеры таких установок раскрыты в патентных документах: UA115401 от 25.10.2017, UA118287 от 26.12.2018, UA118520 от 25.01.2019, RU2615775 от 11.04.2017, а также заявок на изобретения WO/2019/108160 от 11.07.2018, US20170284177 A1 от 05.10.2017.
Из заявки на изобретение США (№US 2006/0197385 A1, H02J 1/02, 2006.07.09) известно устройство с магнитным шунтом, предназначенное для подавления гармоник токов, генерируемых нагрузкой, имеющее вход, подключенный к системе силового электроснабжения, и выход, соединенный с нагрузкой, состоящее из: магнитного сердечника, имеющего три стержня, причем каждый стержень соответствует одной из трех фаз системы силового электропитания. При этом первая и вторая часть сердечника на любой из двух сторон шунта содержат для каждой фазы – первый  элемент с реактивным сопротивлением, включающий в себя фазную обмотку, имеющую один конец для соединения с первой фазой и второй конец, причем эта фазная обмотка находится на первой части сердечника. Для каждой фазы – второй элемент с реактивным сопротивлением, включающий в себя первую обмотку, образующую разветвленную цепь, размещенную на второй части и имеющую первый конец, соединенный со вторым концом фазной обмотки и второй конец, соединенный с конденсатором, причем этот конденсатор имеет второй вывод, соединенный с другой фазой или с соответствующим конденсатором, подключенным к другой фазе. При этом фазная блокирующая обмотка и соответствующая резонирующая обмотка, образующая разветвленную цепь, для каждой фазы магнитно связаны при помощи магнитного шунта, а сердечник имеет, по крайней мере, один немагнитный зазор.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести отсутствие возможности отрабатывать снижение активной нагрузки более 50% от номинальной, что может привести к увеличению коэффициента нелинейных искажений (КНИ) до уровня превышающего оптимально допустимый, в частности, составлять более 5%.
Также из уровня техники (патент US9356503 от 31.05.2016 МПК H02J 1/02) известно устройство подавления гармоник преобразователя частоты содержащее, по меньшей мере, один пассивный LC фильтр, а также, по меньшей мере, один активный фильтр гармоник с переключателем для оперативного переключения одного из фильтров в целях подавления, по меньшей мере, одной группы гармоник.
Пассивный LC фильтр выполнен с возможностью подавления высших гармоник и сформирован из накопительных элементов, а также индуктивных элементов, установленных на стержневом основании из магнитного материала с зазором с высокой проницаемостью.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести относительно высокий коэффициент нелинейных искажений (КНИ) при значении нагрузки менее 50% от номинальной, в частности, составлять более 5%. Также известное решение способно работать на одной частоте питаю сети 50 или 60 Гц, что снижает его функциональность.
Принимаем данное техническое решение за ближайший аналог.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является обеспечение расширения функция устройства подавления гармоник преобразователя частоты.
Технический результат, полученный от реализации заявляемого изобретения, заключается в расширения функциональности устройства подавления гармоник преобразователя частоты, посредством увеличения диапазона изменения нагрузки, а также обеспечении возможности работы от частоты питающей сети 50; 60Гц.
Сущность заявляемого технического заключатся в том, что пассивный LC фильтр содержит, по меньшей мере, две параллельные ветви, каждая из которых последовательно соединена с отдельным управляемым выпрямителем преобразователя частоты, причем LC фильтр выполнен с возможностью работы с, по меньшей мере, одной активной ветвью. Каждая из ветвей LC фильтра содержит блок накопительных элементов с контактором, выполненный с возможностью использования части объема накопительных элементов в зависимости от частоты питающей сети. При этом индуктивная составляющая LC фильтра содержит, по меньшей мере, два набора индуктивных элементов установленных на отдельных основаниях.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения пассивный LC фильтр выполнен с возможностью перехода на работу с одной активной ветвью при падении нагрузки более 50% от номинальной.
Также возможен вариант реализации изобретения, при котором основание каждого набора индуктивных элементов содержит верхнее и нижнее ярмо с вертикальными стержнями между ними, при этом вертикальные стержни выполнены с видимыми разрывами в поперечном сечении, которые заполнены немагнитным материалом.
Также согласно одному из возможных вариантов реализации заявляемого устройства основания, по меньшей мере, двух наборов индуктивных элементов закреплены в рамном каркасе с направляющими элементами в нижней части. При этом индуктивная составляющая LC фильтра установлена в отдельном отсеке преобразователя частоты, с принудительным воздушным охлаждением.
Способ компенсации высших гармоник на выходе преобразователя частоты, основанный на описанном конструктивном решении заключается в том, что пассивный LC фильтр формируют из, по меньшей мере, двух параллельных ветвей с возможностью работы в, по меньшей мере, двух режимах. В одном из режимов «половина мощности» обеспечивают работу при снижении активной мощности более 50% от номинальной, при этом из схемы выключают одну из, по меньшей мере, двух ветвей пассивного фильтра переводя управляемый выпрямитель в положение закрыт «OFF» и размыкая контактор блока накопительных элементов соответствующей ветви. При этом блок накопительных элементов выполняют с возможностью изменения объема в зависимости от частоты питающей сети. В блок накопительных элементов включают дополнительный конденсатор при переходе с частоты питающей сети 60 Гц на частоту 50 Гц. В одном из возможных режимов работы, при котором в цепь питания включен генератор, из схемы выключают блоки накопительных элементов, размыкая контакторы до момента выхода на заданное значение частоты питающей сети.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается, следующими графическими материалами:
фиг.1 – преобразователь частоты с устройством подавления гармоник;
фиг.2 – принципиальная электрическая схема преобразователя частоты;
фиг.3 – принципиальная электрическая схема преобразователя частоты в режиме работы «Полной мощности» при нагрузке более 50% от номинальной;
фиг.4 – принципиальная электрическая схема преобразователя частоты в режиме работы «Половина мощности» при нагрузке менее 50% от номинальной;
фиг.5 – принципиальная электрическая схема преобразователя частоты с работой от питающей сети 50/60 Гц;
фиг.6 – индуктивная составляющая пассивного LC фильтра (конструкция);
фиг.7 – график зависимости КНИ от нагрузки.
фиг.8 – уровень THD по выходу
Заявляемое технические решение может быть реализовано в преобразователях частоты для различных потребителей нелинейной нагрузки с целью снижение негативного воздействия потребителей на сеть электропитания, в частности приведен пример реализации ПЧ 1 (фиг.1) погружного электродвигателя (на изображениях не показан) также в качестве нагрузки может быть использован любой другой частотно управляемый электродвигатель. Корпус 2 ПЧ разделен на отсеки для размещения электротехнического оборудования и содержит отсеки под установку элементов устройства подавления гармоник.
Устройство подавления гармоник 3, установленное по выходу преобразователя частоты 1, содержит, по меньшей мере, один пассивный фильтр (ПФ) (фиг.2), выполненный с возможностью подавления высших гармоник в частности 5-й и 7-й, а также других групп гармоник, в зависимости от выполненных настроек и сформирован из накопительных элементов 4, помещенных в отдельном отсеке 5 ПЧ которые могут быть представлены в виде конденсаторов, а также установленных на стержневом основании 6 из магнитного материала в частности электротехнической стали индуктивных элементов 7 (дросселей). В трехфазном исполнении ПФ содержит, по меньшей мере, два набора индуктивных элементов (дросселей) установленных на отдельных основаниях и соединенных по входу. На каждую фазу попарно установлены наборы дросселей входные, выходные и резонансные, соединенные с блоком накопителей 4, 4.1.
Индуктивная составляющая LC фильтра, в частности дроссели, установлены в отдельном отсеке 8 ПЧ, с принудительным воздушным охлаждением, реализованным посредством, по меньшей мере, одного вентилятора 9 системы охлаждения ПЧ.
Пассивный фильтр содержит, по меньшей мере, две параллельные ветви 10, 11 (фиг. 2-5) каждая из которых последовательно соединена с отдельными управляемыми выпрямителями 12,13 (тиристорами) преобразователя частоты 1. Также возможен вариант выполнения с одним управляемым и вторым частично управляемым выпрямителем (диод-тиристор).
Указанный фильтр выполнен с возможностью работы с, по меньшей мере, одной активной ветвью при снижении активной нагрузки более 50% от номинальной. Данное техническое решение позволяет удерживать значение коэффициента нелинейных искажений (КНИ) в пределах 5% при падении нагрузки более 50% от номинальной (показано на графике фиг. 8).
Согласно заявленному техническому решению ток на входе устройства подавления гармоник делится между двумя ветвями 10,11 (фиг.3) равномерно, получая значение номинального активного тока выпрямителя Iном/2. В ходе эксплуатации активный ток нагрузки может изменяться в пределах 1-100% от номинального значения. При снижении активного тока нагрузки Iнг на 50%, в результате Iном = Iном/4, что приводит к повышению КНИ (THD).
В ходе работы ПЧ, контроллер 14 системы управления снимает данные, с датчиков 15,16 постоянно контролируя значение активного тока Iнг, при этом, с учетом значения напряжения питающей сети и расчетного КПД преобразователя частоты определяют мгновенные значения активной мощности. После того как было зафиксировано снижение активной мощности ниже допустимого значения, в частности, более 50% от номинального, также может быть задан интервал допустимых значений, например 45-55%, контроллером 14 выдается задание на отключение одной ветви ПФ, посредством отключения (OFF) управляемого выпрямителя 10 ПЧ и контактора 17 блока конденсаторов 4. Также возможен вариант реализации с программируемым двухрежимным контактором, на входе ПФ, отключающим одну из ветвей.
После отключения одной ветви 10 ПФ, ток протекает по ветви 11 (фиг.4), с открытым выпрямителем 13 (ON) достигая значения активной мощности близкого к номинальному с минимальным значением КНИ (THD), при этом ПЧ переводят в режим «Половины мощности».
Система управления ПЧ продолжает контролировать значения токов и при фиксации повышения значения активной мощности выше заданного значения, дает задание на включение (ON) управляемого выпрямителя 10 второй ветви ПФ для работы в режиме «Полной мощности».
Также в заявленном решении предусмотрен «Генераторный режим», в котором предварительно заряжают звено 18 постоянного тока ПЧ, обеспечивая загрузку по активному току не менее чем на 30% от номинального значения мощности ПЧ. В таком режиме из схемы выключают блоки накопительных элементов (фиг.5) 4, 4.1, размыкая управляемые контакторы 17 до момента выхода на заданное значение загрузки ПЧ. После включения ШИМ и выхода на заданные параметры загрузки ПЧ, в схему включают блоки накопительных элементов 4;4.1 и ПЧ переходит в режиме «Полной мощности» или «Половины мощности» в зависимости от текущего значения активной мощности.
Каждая из ветвей пассивного фильтра содержит блок накопительных элементов 4 с управляемым контактором 17 (фиг.5), выполненный с возможностью использования части объема накопительных элементов 4.1 в зависимости от частоты питающей сети. В частности переход с частоты 60Гц на частоту в 50Гц с погрешностью не более ± 1 Гц осуществляется путем подключения части накопительных элементов 4.1 управляемым контактором 17.1. Указанное решение позволяет унифицировать ПЧ, обеспечивая снижение уровня гармоник на выходе до 5% и ниже, независимо от частоты питающей сети (50/60 Гц). На (фиг.7;8) приведены графики расчетных характеристик работы заявленного технического решения и способа его работы по результатам испытаний и компьютерного моделирования ПЧ. На фиг. 7 показан переход между режимами «Полной» и «Половины мощности», при котором КНИ (THD) менее 5%. На фиг. 8 приведен расчет математической модели ПЧ, на которой показано снижение основных групп гармоник 5-й,7-й до уровня 3,34%.
Конструктивное выполнение (фиг.6) индуктивной составляющей ПФ обеспечивает удобство монтажа и повышает ремонтопригодность. Согласно заявленному варианту реализации основания, по меньшей мере, двух наборов индуктивных элементов 7 закреплены по периметру в рамном каркасе 19 с направляющими элементами 20 в нижней части. Сердечник 6 каждого набора индуктивных элементов 7 содержит верхнее 21 и нежнее 22 ярмо с вертикальными стержнями 23 между ними, при этом вертикальные стержни выполнены с видимыми разрывами 24 в поперечном сечении, которые заполнены немагнитным материалом, например стеклотекстолитом. Указанные видимые разрывы повышают добротность колебательного контура, уменьшая поток рассеивания.
Заявляемое техническое решение может быть использовано, как для 6-ти, так и для 12-ти пульсных ПЧ.
Реализация описанного технического решения обеспечивает достижение заявленного технического результата, расширяя возможность эксплуатации ПЧ при разных частотах питающего напряжения, а также позволяет поддерживать КНИ в пределах 5% независимо от колебаний тока нагрузки.