Как решить проблемы с гармониками в источнике

Обычный преобразователь частоты (ЧРП) генерирует гармоники как на входе, так и на выходе. На стороне двигателя (выход) ЧРП эмулирует синусоидальную волну с помощью сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Разница между двумя сигналами показана на рисунке 1. Сигнал ШИМ находится где-то между прямоугольной волной и чистой синусоидой. Прямоугольный характер сигнала ШИМ обусловлен ограниченной частотой переключения биполярных транзисторов со встроенным затвором (IGBT), обычно используемых в обычных преобразователях частоты. Гармоники — неизбежный и неудачный побочный продукт ШИМ-сигнала.

Аналогичная ситуация и на стороне сети (входа) ЧРП. Архитектура диодного моста, используемая в обычных преобразователях частоты, нелинейно потребляет ток на пике формы волны напряжения. Результирующая форма сигнала тока (Изображение 2) содержит большое количество гармоник, которые распространяются обратно в распределительную сеть. Обычный 6-импульсный ЧРП нередко генерирует полное гармоническое искажение тока (THDi) в диапазоне 80 % как на стороне сети, так и на стороне двигателя ЧРП.

По определению, гармоники возникают в целых числах, кратных основной частоте. Например, в системе с частотой 60 Гц (Гц) будут присутствовать гармоники: вторая — 120 Гц, третья — 180 Гц, четвертая — 240 Гц, пятая — 300 Гц и т. д. Каждую гармонику можно дополнительно разделить на положительную последовательность, отрицательную последовательность и нулевую. компоненты последовательности. Гармоники положительной последовательности (четвертая, седьмая, десятая, тринадцатая, девятнадцатая и т. д.) имеют тот же вектор вращения, что и основная частота. Как следует из названия, гармоники обратной последовательности (вторая, пятая, восьмая, одиннадцатая, четырнадцатая и т. д.) вращаются в направлении, противоположном основной. Компоненты нулевой последовательности (третий, шестой, девятый, двенадцатый, пятнадцатый и т. д.) не имеют вектора вращения.

Тот факт, что выходной сигнал двигателя обычного преобразователя частоты содержит гармоники, означает, что общий среднеквадратичный (RMS) ток в двигателе значительно превышает основной ток. Этот избыточный ток проявляется в увеличении потерь в меди и сердечнике (железе), что, в свою очередь, увеличивает нагрев внутри самого двигателя. В краткосрочной перспективе избыточное тепло может вызвать перегрев, непосредственно затрудняя работу. В долгосрочной перспективе избыточное тепло ухудшит изоляцию двигателя, что приведет к его преждевременному выходу из строя.

Опасения по поводу гармоник не ограничиваются избыточным среднеквадратичным током. Высокая скорость изменения напряжения (dv/dt), создаваемая гармоническими вихревыми токами, может вызвать искрение как между отдельными обмотками двигателя, так и между подшипниками и дорожками качения подшипников. Первое ухудшает изоляцию двигателя, а второе вызывает точечную коррозию подшипников и разрушение смазки. Относительная величина отдельных гармоник может влиять на двигательную активность и продолжительность жизни. Как отмечалось выше, гармоники обратной последовательности действуют в направлении, противоположном основной гармонике, создавая возможность нагрева ротора из-за сильных вихревых токов.

Кроме того, взаимодействие между соседними положительными и отрицательными гармоническими токами может создавать пульсирующий крутящий момент и механические колебания, снижая эффективность работы. Как и в случае с двигателями, наличие гармоник в системе распределения электроэнергии означает, что проводники внутри объекта должны иметь слишком большие размеры, что требует дополнительных капитальных затрат и ограничивает возможности для последующего расширения и реконфигурации. Другое оборудование, подключенное к электрической сети, может подвергаться чрезмерному нагреву, преждевременному износу и преждевременному выходу из строя.

Особенности будут зависеть от типа оборудования. Некоторые примеры включают чрезмерный нагрев внутри трансформаторов, видимое мерцание при осветительных нагрузках или повреждение чувствительных нагрузок. Электроэнергетические компании прекрасно осознают, как избыточные гармоники негативно влияют на их распределительные сети. Большинство из них требует, чтобы пользователи соблюдали ограничения, указанные в стандарте Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) 519, который требует, чтобы THDi не превышал 5% в точке общего соединения. Нарушителей ждут финансовые санкции.