Анализ гармонического состава тока и напряжения, потребляемого преобразователями частоты

УДК 621.314.263 ББК 31.291

Д.Г. САДИКОВ, В.Г. ТИТОВ

АНАЛИЗ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ, ПОТРЕБЛЯЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ

Ключевые слова: преобразователь частоты, питающая сеть, гармоники, фильтр, электромагнитная совместимость.

Представлены результаты исследования гармонического состава тока и напряжения, потребляемого преобразователями частоты. Рассмотрено влияния преобразователей частоты на питающую сеть. Расчеты показали, что без проведения специальных мероприятий, таких как установка фильтров, работа большинства преобразователей частоты оказывает негативное влияние на питающую сеть, искажая кривые тока и напряжения выше допустимых пределов. Произведен анализ способов подавления высших гармоник.

D. SADIKOV, V. TITOV ANALYSIS OF HARMONIC COMPOSITION OF CURRENT AND VOLTAGE CONSUMED BY FREQUENCY CONVERTERS Key words: frequency converter, power supply grid, harmonics, filter, electromagnetic compatibility.

The present article covers the issues of investigating a harmonic composition of the current and voltage consumed by frequency converters, the influence offrequency converters on the power supply grid. Calculations have shown, that without special measures such as the installation offilters, the work of most frequency converters has a negative impact on the power supply grid resulting in deforming curves of the current and voltage above admissible limits. The article also presents the results of the analysis of methods aimed to suppress higher harmonics.

Наибольшее применение для широкодиапазонного регулирования частоты вращения асинхронных двигателей в настоящее время получили преобразователи частоты (ПЧ) с двойным преобразованием энергии. Такие устройства преобразуют электроэнергию питающей сети в электроэнергию с требуемыми значениями напряжения, тока и частоты в два этапа. На первом этапе с помощью выпрямителя производится преобразование тока и напряжения сети с частотой 50 Гц в постоянные ток и напряжение. На втором этапе постоянные ток и напряжение преобразуются в переменные, но уже с новыми, требуемыми для обеспечения желаемого режима работы электродвигателя значениями тока, напряжения и частоты [1, 2]. Такой способ преобразования энергии имеет ряд недостатков, один из которых связан с наличием на входе таких ПЧ полупроводникового выпрямителя, который искажает форму тока и напряжения питающей сети.

Генерация в питающую сеть высших гармоник тока и напряжения и возникающие при этом отклонения параметров качества электроэнергии от значений, регламентируемых ГОСТ 13109-971, может существенно ограничивать применение ПЧ.

Применение модуляционных методов управления силовыми электронными ключами в случае управляемого выпрямителя и многоуровневых схем инверторов позволяет эффективно решить задачу электромагнитной совмес-

1 ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии. М.: Стандартинформ, 2006. 32 с.

тимости (ЭМС) ПЧ с питающей сетью. Ряд фирм-производителей для улучшения формы выходного напряжения устанавливает на выходе ПЧ емкостные или индуктивно-емкостные (синусные) фильтры, что повышает стоимость преобразователя, а также ухудшает его массогабаритные характеристики. Без использования выходных фильтров ЭМС обеспечивается в многоуровневых схемах ПЧ.

Для уменьшения влияния ПЧ на питающую сеть и обеспечения требований ЭМС применяются следующие технические решения: установка фильтра на входе ПЧ; дроссель в звене постоянного тока ПЧ; увеличение количества пульсаций напряжения (так называемой «пульсности») входного выпрямите -ля за период питающего напряжения; применение управляемого выпрямителя на входе ПЧ, использующего специальный алгоритм управления ключами; использование активного фильтра гармоник.

Установка фильтров высших гармоник или применение дросселя в звене постоянного тока ПЧ дают примерно одинаковый эффект и позволяют эффективно бороться с эмиссией высших гармоник в питающую сеть. Такой способ используется для преобразователей малой и средней мощности. Для преобразователей большой мощности габаритные размеры фильтра становятся сравнимы с самим ПЧ, что вызывает сложности с установкой его в производственных помещениях. Стоимость такого фильтра также очень высока.

В качестве примера проведен расчет гармоник на шинах РУНН-0,4 кВ КТП 10/0,4, мощностью 1600 кВА, к которому подключено 30 преобразователей частоты.

Таблица 1

Исходные данные для расчета

Параметр Значение

Сетевые параметры: первичное напряжение, кВ 10

напряжение на низкой стороне, кВ 0,4

частота сети, Гц 50

мощность КЗ на вводе ВН трансформатора, МВА 100

Параметры трансформатора: номинальная мощность, кВА 1600

напряжение короткого замыкания, % 6,0

напряжение на низкой стороне, кВ 0,4

векторная группа D Y0

Параметры привода: тип преобразователя частоты ATV61HD30N4

мощность преобразователя частоты, кВт 30

количество преобразователей, шт. 30

тип сетевого дросселя (на каждый ПЧ) VW3A4556

Расчетная схема представлена на рис. 1.

Форма тока и напряжения на стороне 10 (точка РСС1), 0,4 (точка РСС2) кВ питающего трансформатора представлена на рис. 2, 3. Расчет проводился в программе Harmonics Simulation Tool version 1.08.0.

Результаты расчета гармонического состава питающего напряжения представлены в табл. 2.

Drive 1 Drive 2 Drive 3 Drive 4 Drive 5 Motors DOL

Рис. 1. Расчетная схема

10

a

Рис. 2.

100

80

60

40

20

00

го

-40

1 -60

J -80

У , 20 -100

б

Форма напряжения (а) и тока (б) на стороне 10 кВ

Время, мс

2500 2000 1500 1000 500 00 500 -1000 1500 2000 2500

б

а

Рис. 3. Форма напряжения (а) и тока (б) на стороне 0,4 кВ

Таблица 2

Процентное содержание высших гармоник на стороне 10, 0,4 кВ

Гармоники напряжения (10 кВ) % Гармоники тока (10 кВ) % Гармоники напряжения (0,4 кВ) % Гармоники тока (0,4 кВ) %

5 1,3181 5 25,1048 5 6,3985 5 25,1048

7 0,5587 7 7,6033 7 2,7122 7 7,6033

11 0,5612 11 4,8616 11 2,7247 11 4,8616

13 0,4489 13 3,2905 13 2,1793 13 3,2905

17 0,2705 17 1,5166 17 1,3135 17 1,5166

19 0,2755 19 1,3817 19 1,3375 19 1,3817

23 0,2155 23 0,8931 23 1,0465 23 0,8931

25 0,1844 25 0,7028 25 0,8951 25 0,7028

29 0,187 29 0,6147 29 0,9081 29 0,6147

31 0,172 31 0,5289 31 0,8353 31 0,5289

35 0,1367 35 0,3723 35 0,6638 35 0,3723

37 0,1375 37 0,3543 37 0,6678 37 0,3543

41 0,1218 41 0,2831 41 0,5913 41 0,2831

43 0,1112 43 0,2466 43 0,5401 43 0,2466

47 0,1119 47 0,2268 47 0,543 47 0,2268

49 0,1066 49 0,2075 49 0,5179 49 0,2075

ТИБу 1,7643 ТИБ1 27,0068 ТИБу 8,5651 ТИБ1 27,0068

Как видно из результатов расчета, коэффициент нелинейных искажений тока даже при использовании сетевых дросселей составляет ТИБ1 = 27%, что выше максимально допустимого значения (12%). Коэффициент нелинейных искажений напряжения ТИБу не превышает допустимого по ГОСТ 13109-97 значения. Чтобы показатели качества электроэнергии не превышали максимально допустимые значения, для рассматриваемого примера наилучшим решением является применение активных фильтров.

Для ПЧ большой мощности применяются 6-, 12- или 18-пульсные сетевые выпрямители на диодах или 8СЯ-тиристорах, что позволяет ограничить в спектре высших гармоник 5-ю и 7-ю либо также 11-ю и 13-ю гармоники. Увеличение числа пульсаций входного напряжения выпрямителя за период сетевой частоты достигается путем применения одного или нескольких трансформаторов с разным фазовым сдвигом вторичных обмоток и нескольких, последовательно соединенных неуправляемых выпрямителей. Применение 24-пульсных схем выпрямления способно практически полностью решить проблему ЭМС ПЧ с питающей сетью. Однако этот способ требует дополнительных капитальных затрат из-за сложности изготовления многообмоточного согласующего трансформатора и очень большого числа силовых полупроводниковых элементов в выпрямительном силовом каскаде ПЧ.

В качестве примера расчетные данные гармонического состава тока и напряжения на шинах ЗРУ-10 кВ при работе четырех ПЧ типа ЫУ7616, мощностью 11,5 МВт с 24-пульсной схемой входного выпрямителя приведены на рис. 4.

Как видно из рис. 4, гармонический состав входного тока и напряжения соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 даже без применения входных фильтров высших гармоник. Однако такой способ требует применения двух входных согласующих трансформаторов с разными группами соединения обмоток.

н * I о 0) н

8 I

1,8 1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

ш

п п п п п п

1 3 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49

Номер гармоники, п

Ь *

5 &

ин и

р

1,0

0,6

0,4

га 0,2

0,0

1 3 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49

Номер гармоники, п

б

Рис. 4. Результаты расчета гармонического состава питающего тока (а) и напряжения (б) ПЧ типа МУ7616 ф. СопуеЛеаш.

а

Наиболее эффективным способом обеспечения ЭМС ПЧ с питающей сетью является использование активного сетевого выпрямителя, представляющего собой мало искажающий сеть электроснабжения управляемый выпрямитель на силовых ключах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) Такой способ применяется, как правило, при сопряжении высоковольтных ПЧ со «слабыми» сетями электроснабжения, в которых соотношение мощностей сети и подключенных преобразователей находится в пределах

V

^кз сети

—-< (30...35),

^ ПЧ

где сети - мощность короткого замыкания питающей сети на стороне 10 кВ; 5Пч - суммарная мощность высоковольтных ПЧ. Активный компенсатор гармо-

ник генерирует в распределительную сеть гармоники, потребляемые соответствующей нелинейной нагрузкой, но с противоположной фазой. В результате этого ток и напряжение в сети остаются синусоидальными.

Важной задачей с точки зрения обеспечения ЭМС ПЧ является оптимизация алгоритма управления ключами ПЧ таким образом, чтобы гармонический состав напряжений и токов на входе и выходе преобразователя оставался оптимальным во всех режимах работы агрегата.

Стоит отметить, что наиболее удачной топологией ПЧ с точки зрения обеспечения ЭМС с питающей сетью является схема многоуровневого автономного инвертора напряжения [3]. Такие ПЧ при работе не вызывают значительных искажений тока и напряжения и способны работать без дополнительно устанавливаемых фильтров.

Использование фильтров и увеличение пульсаций входного напряжения выпрямителя являются действенными способами подавления высших гармоник, генерируемых ПЧ в питающую сеть. Применение активных фильтров практически полностью решает проблему ЭМС с питающей сетью. Выбор оптимального способа подавления высших гармоник должен основываться на предварительно проведенных расчетах и сравнении различных вариантов.

Литература

1. Лезнов Б.С Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. М.: Машиностроение, 2013. 176 с.

2. Лазарев Г.Б. Частотно-регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок // Силовая электроника. 2007. № 3. С. 41-48.

3. Садиков Д.Г. Выбор перспективной топологии построения преобразователя частоты для электроприводного газоперекачивающего агрегата // Инженерный вестник Дона. 2014. № 1. URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2244 (дата обращения 10.08.2014).

References

1. Leznov B.S Chastotno-reguliruemyi elektroprivod nasosnykh ustanovok [Variable frequency drives pump units]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2013. 176 p.

2. Lazarev G.B. Chastotno-reguliruemyi elektroprivod nasosnykh i ventilyatornykh ustanovok [Variable frequency drives pump and fun units]. Silovaya elektronika [Power Electronics]. 2007, no. 3, pp. 41-48.

3. Sadikov D.G. Vybor perspektivnoi topologii postroeniya preobrazovatelya chastoty dlya elektroprivodnogo gazoperekachivayushchego agregata [Selection of promising topology construction for a frequency converter of electrically driven gas pumping unit]. Inzhenernyi vestnik Dona [Engineering journal of Don], 2014, no. 1, Available at: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n1y2014/2244 (Accessed 10 Aug. 2014).

САДИКОВ ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ - аспирант кафедры электрооборудования судов, Нижегородский государственный технический университет, Россия, Нижний Новгород (dima_sd5@mail.ru).

SADIKOV DMITRIY - post-graduate student of Ships Electric Equipment Chair, Nizhny Novgorod State Technical University, Russia, Nizhniy Novgorod.

ТИТОВ ВЛАДИМИР ГЕОРГИЕВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрооборудования судов, Нижегородский государственный технический университет, Россия, Нижний Новгород.

TITOV VLADIMIR - doctor of technical sciences, professor, head of Ships Electric Equipment Chair, Nizhny Novgorod State Technical University, Russia, Nizhniy Novgorod.