Компенсация высших гармоник тока.
Current harmonics compensation.
Активные фильтры эффективно компенсируют высшие гармоники тока до 49-го порядка включительно.
Высшие гармоники тока образуются при работе нелинейных электроприёмников (полупроводниковых устройств, дросселей и трансформаторов в режиме насыщения, и др.). «Нелинейность» выражается в том, что форма тока через электроприёмник не повторяет форму приложенного напряжения и отличается от синусоидальной.
Нелинейные электроприёмники не могут работать иначе, чем потребляя несинусоидальный ток. Для них это не только не опасно (при правильном расчете и изготовлении), но абсолютно необходимо. Опасность возникает для других частей электроустановки, в том числе источников электроэнергии, линий электропередачи, коммутационной аппаратуры и др.
Высшие гармоники канонические, четные, кратные трем, интергармоники.
Искажение синусоиды тока вызывает искажение синусоиды напряжения. Этот эффект тем сильнее (при прочих равных условиях), чем выше внутреннее сопротивление источника (генератора, трансформатора и др.).
Несинусоидальное напряжение (высшие гармоники напряжения) приводит к протеканию повышенного тока (тока высших гармоник) через прочие электроприёмники. Этот ток вызывает дополнительный нагрев, иногда вибрацию и др. Несинусоидальное напряжение может приводить к сбоям в работе систем импульсно-фазового управления (СИФУ) и других цепей, чувствительных к форме напряжения. Особенно опасны ситуации, при которых возникает резонанс на частотах высших гармоник.
Активные фильтры прекрасно компенсируют высшие гармоники тока, возвращая ему синусоидальную форму. При этом заметно снижаются потери в электроустановках и повышается надежность работы электроприёмников. Одновременно устраняются высшие гармоники напряжения, что позитивно сказывается на электроустановке в целом.
Для компенсации высших гармоник тока активные фильтры должны иметь информацию о токе. По этой причине обязательными элементами оказываются трансформаторы тока.
Устанавливаются трансформаторы тока на тех участках силовой цепи, где требуется устранить влияние высших гармоник. В общем случае место установки трансформаторов тока может не совпадать с точкой присоединения силовой цепи активного фильтра.
При необходимости компенсировать гармоники тока на разных присоединениях применяются насколько комплектов трансформаторов тока. Данные от них на активный фильтр поступают через суммирующий трансформатор.
Активные фильтры имеют модульную конструкцию; до 90 модулей могут работать параллельно по схеме «ведущий – ведомый».
Максимальный ток компенсации при напряжении 400 В – 13500 А.
Максимальный ток компенсации при напряжении 690 В – 8100 А.
Наряду с компенсацией высших гармоники тока активные фильтры, поставляемые Инженерным центром «АРТ», могут непосредственно компенсировать искажения напряжения (в схемах включения без трансформаторов тока).
Предложения Инженерного центра «АРТ».
Полный комплекс работ по созданию систем компенсации высших гармоник на базе активных фильтров.
Источник
Способы компенсации высших гармоник
Библиографическая ссылка на статью:
Добуш В.С. Анализ способов и средств компенсации высших гармоник // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 5. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/05/53518 (дата обращения: 12.11.2021).
В различных ситуациях на предприятиях требуется снизить уровень искажения формы кривой питающего напряжения до допустимых значений. Для этих целей применяются различные установки компенсации высших гармоник. Выбор типа устройства, его параметров и способа управления им является сложной инженерной задачей. Причем важным фактором является их расположение в электрической сети, что существенно влияет на эффективность компенсации ВГ.
Рисунок 1 – Структура подключения пассивного фильтра
Существует несколько классификаций устройств компенсации ВГ, но в основном их разделяют по способу подавления ВГ [2]:
-пассивные фильтры, которые состоят только из неактивных элементов, таких как индуктивность, емкость и активное сопротивление;
-активные фильтры, которые кроме пассивных элементов имеют силовые полупроводниковые ключи и систему управления ими;
-гибридные фильтры, состоящие из активного фильтра и пассивного.
Пассивные фильтры могут быть установлены для компенсации гармоник тока от проникновения в систему в случае, если нелинейная нагрузка локально вызывает существенные гармонические искажения.
Пассивные фильтры являются недорогим средством по сравнению с большинством других устройств для подавления искажений. Их структура состоит только из пассивных элементов (индуктивности, емкости и сопротивления), настроенных на частоты гармоник тока или напряжения, которые необходимо уменьшить.
Рисунок 2 – Структура подключения трехфазного последовательного фильтра
Пассивные фильтры наиболее эффективны, когда они установлены близко с нелинейной нагрузкой. Резонансная частота энергосистемы должна быть точно определена в местах гармонических искажений, вызываемых нелинейной нагрузкой.
На практике, пассивные фильтры добавляются в систему, начиная с низшего порядка гармоник, которые должны быть компенсированы. Например, установка фильтра седьмой гармоники обычно требует установки фильтра пятой гармоники.
Существуют различные типы пассивных фильтров для однофазных и трехфазных систем по схемам параллельного и последовательного (рисунок 2) включения. Фильтры со схемой параллельного включения более распространены на практике. Они обеспечивают интервалы с низким сопротивлением для потока гармонических токов.
Пассивные фильтры, включенные параллельно, пропускают только часть общего тока нагрузки и будут иметь более низкую эффективность по сравнению с фильтрами с последовательной схемой включения, которые могут полностью проводить ток нагрузки. Как следствие, фильтры с параллельным включением используются из-за их низкой стоимости и возможности обеспечения компенсации реактивной мощности на основной частоте.
Рисунок 3 – Структура подключения трехфазного шунтирующего фильтра
Также существует возможность использования более одного пассивного фильтра, использующего параллельную и/или последовательную схему включения. Структура внедряемого фильтра зависит от типа преобладающего гармонического источника (источника напряжения, источника тока).
Таким образом, проектирование, изготовление и реализация пассивных фильтров проще и легче, чем у других устройств, например, синхронных компенсаторов и активных фильтров и они обладают следующими преимуществами:
-являются надежными, экономичными и относительно недорогими;
-могут быть изготовлены на большие мощности (до нескольких МВА);
-не требует высоких эксплуатационных затрат;
-могут обеспечивать быстрое время отклика, что повышает качество электроэнергии (доза фликера);
-в отличие от вращающихся машин (например, синхронных двигателей или компенсаторов) пассивные фильтры не способствуют появлению токов короткого замыкания;
-в дополнение к улучшению качества электроэнергии, хорошо продуманные пассивные фильтры могут служить для коррекции коэффициента мощности и уменьшения падения напряжения, связанных с включением больших нагрузок (например, мощных асинхронных двигателей).
Эти преимущества привели к широкому применению пассивных фильтров в различных отраслях энергосистем. Тем не менее, инженеры также столкнулись с некоторыми ограничениями и недостатками пассивных фильтров, которые могут заставить искать альтернативные решения, такие как активные и гибридные системы фильтрации. Недостатки пассивных фильтров заключаются в следующем[1,2]:
-компенсация или уменьшение только определенных гармоник, большой размер;
-возможен резонанс с сопротивлением системы питания на основной и/или других частотах;
-сложность изменения настроенной частоты и размеров фильтра после установки;
-может произойти уменьшение эффективности работы фильтра из-за изменений его параметров (вызванных старением, порчей, и температурными воздействиями) и нелинейной характеристики нагрузки;
-для эффективности сопротивление фильтра должно быть меньше сопротивления системы, что может стать проблемой для мощных или жестких систем ;
-резонанс между системой и фильтром может привести к усилению действия гармоник тока. Таким образом, разработчик ограничен в выборе настраиваемых частот;
-могут потребоваться специальные защитные и следящие устройства для контроля коммутационных перенапряжений, несмотря на то, что в фильтре установлены реакторы;
-невозможно осуществить бесступенчатое управление (реактивной мощностью, коэффициентом мощности, напряжением), так как фильтр может быть либо включен, либо выключен.
В силу описанных недостатков в ряде случаев возникает необходимость применения активных фильтров. Подобное электрооборудование, построенное на основе полупроводниковых элементов, является альтернативой пассивным фильтрам компенсации высших гармоник. Одно из преимуществ данных устройств является автоматическое изменение параметров компенсации в зависимости от условий, возникающих в энергосистеме. Активные фильтры используются при динамически изменяющемся спектре, протекающего искаженного тока. Используемые активные фильтры имеют параллельную и последовательную структуру в зависимости от типа источника искажения. Активные фильтры, построенные на элементах силовой электроники, генерируют высшие гармоники тока, соответствующие спектру тока, протекающему по электрической сети, но находящиеся в противофазе ему. Тем самым происходит компенсация токов высших гармоник в сети. В сравнении с пассивными фильтрами данные устройства являются более дорогостоящими и не подходят для большинства малых предприятий.
Библиографический список
- Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. – 4-е изд., перераб. и доп. – М: Энергоатомиздат, 2000. – 331 с.
- Arrillaga, J.; Smith, B.C.; Watson, N.R.; and Wood, A.R.; Power Systems Harmonic Analysis, John Wiley & Sons, 1997.
Количество просмотров публикации: Please wait
Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)
Оставить комментарий
Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.
Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
Регистрация
© 2021. Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации».
Источник
Способы подавления гармоник тока в системах электропитания
Настоящая публикация является продолжением темы, поднятой в предыдущей статье [ 1 ].
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:
статические преобразователи (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания и т.д.);
газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;
электродуговые печи постоянного и переменного тока;
устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;
электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения;
специальные 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:
активных 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) K a и коэффициент искажения K и входного тока.
 |  | |||||||||||||||||||
 | ||||||||||||||||||||
 |  | ||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 |
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 ( ИБП / 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 ]:
нескомпенсированный LC-фильтр с коммутатором.
Рис 2. Пассивные фильтры:
некомпенсированный LC-фильтр с коммутатором;
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:
 | ||||||||||||||
 | ||||||||||||||
 |
| Диапазон мощностей (КВА) |
| КПД (%) |
| Входной коэффициент мощности |
| Перегрузочные способности |
| Ток короткого замыкания |
| Пределы изменения входного напряжения |
| Точность стабилизации выходного напряжения |
| Коэффициент искажения выходного напряжения |
| Коэффициент искажения входного тока |
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 ( i 1 ) и высшие ( i n ) гармоники:
 |
 |
 |
