Прогрессивное электронное оборудование в… ухудшении качества электроэнергии

В статье раскрываются особенности негативного влияния силовых преобразователей на силовую сеть. Также представлены способы снижения негативного влияния преобразователей на качество электроэнергии в силовой сети.

Целесообразность и прогрессивность применения силового оборудования в целом и упрощенно определяется уровнем управляемости, точности работы, энергосбережения наряду с минимально возможным или несущественным негативным влиянием на другие энергоприемники, саму сеть и телекоммуникации с системами управления.

Однако по мере эволюции самих силовых сетей минимально возможные негативы могут вырасти до уровня критических, и это наглядно демонстрируют преобразователи, применение которых сегодня стало нормой в сетях низкого и низкого среднего напряжения. VFD (Variable Frequency Drives) приводы на PAM (Pulse amplitude modulation) и PWM (Pulse width modulation) преобразователях, ИБП, выпрямители, электронные пускорегулирующие аппараты в оборудовании, устройствах, системах промышленных и непромышленных, инфраструктурных объектов, при всей прогрессивности вносят весомый вклад в ухудшение качества электроэнергии, повышение аварийности силовых сетей, сокращение срока службы электрических, электронных нагрузок и кабельных линий.

Вместе с тем использование преобразователей имеет множество технических и экономических преимуществ, которые намного перевешивают недостатки, а потому единственно возможным решением проблемы становится разработка превентивных организационно-технических мероприятий для максимально возможного снижения и даже нивелирования негативного влияния инвертеров, конвертеров на силовую сеть.

Особенности негативного влияния силовых преобразователей на силовую сеть

Определяющим негативом любых PAM или PWM (ШИМ) преобразователей является генерация гармоник, искажающих синусоиду тока и напряжения и имеющих порядок n=k*p±1, где:

• k — ряд простых чисел (1, 2, 3...),
• p — «пульсность» (число вентилей в силовом блоке преобразователя — диодов, тиристоров, транзисторов).

Так, для двухпульсного (однофазного) преобразователя будут характерными гармоники порядков 3,5,7,9,11,13..., для трёхпульсного трехфазного — 2,4,5,7,8,10..., шестипульсного — 5,7,11,13,17,19..., двенадцатипульсного — 11,13,23,25...

Теоретически и упрощенно величину гармонического тока In можно найти из формулы In=I₁/n, где:

• I₁ — ток фундаментальной частоты (50 Гц),
• n — порядок гармоники.

Значит, например, теоретическая величина гармонических токов в сети, генерируемых 3-фазным 6-импульсным силовым электронным преобразователем будет:

• 5-я гармоника (250 Гц) — 20,0 % фундаментальной частоты;
• 7-я гармоника (350 Гц) — 14,3 % тока фундаментальной частоты;
• 11-я гармоника (550 Гц) — 9,1 % тока фундаментальной частоты;
• 13-я гармоника (650 Гц) — 7,7 % тока фундаментальной частоты;
• 17-я гармоника (850 Гц) — 5,9 % тока фундаментальной частоты;
• 19-я гармоника (950 Гц): 5,3 % тока фундаментальной частоты;
• 23-я гармоника (1150 Гц) — 4,3 % тока фундаментальной частоты;
• 25-я гармоника (1250 Гц) — 4,0 % тока фундаментальной частоты и т. д.

Тогда, например, если в приводе с регулируемой скоростью ток, потребляемый 3-фазным 6-пульсным преобразователем на основной частоте (50 Гц) 100 ампер, то в дополнение к нему генерируются токи в 20 ампер (20 %) на частоте 5-й гармоники (250 Гц), 14.3 А (14.3 %) на частоте 7-й гармоники (350 Гц), 9.1 А (9.1 %) на частоте 11-й гармоники (550 Гц) и т. д., а суммарный среднеквадратичный ток Irms (игнорируя гармоники выше 25-го гармонического порядка) на 4.1 % превысит амплитуду тока фундаментальной частоты, что приведет к дополнительным потерям в кабелях и трансформаторах, питающих привод. Причем это в идеальной ситуации при коммутации без пульсаций, а на практике амплитуды гармонических токов могут достигать 70-80 % тока основной частоты (см. таблицу ниже).

Таблица. Амплитуды токов гармоник в зависимости от сопротивления сети, наличия/отсутствия сглаживающих реакторов и фильтров

Способы снижения негативного влияния преобразователей на качество электроэнергии в силовой сети

Одним из наиболее практичных решений проблемы является установка индуктивности (реактора) на стороне питания преобразователя переменного тока для эффективного увеличения индуктивного импеданса между преобразователем и источником питания. Как видно из таблицы выше (4 позиция), это эффективно снижает общий уровень искажений тока, а особенно пятой и седьмой гармоники, причем реактор может быть расположен внутри звена постоянного тока (предпочтительно) или подключен внешне на входных клеммах преобразователя.

Следующим неплохим решением проблемы эмиссии гармоник является использование преобразователей с более высоким числом импульсов, что значительно увеличит порядок «меньшей» гармоники и, соответственно, величину амплитуды гармонического тока. В качестве альтернативы можно комбинировать два преобразователя с более низким числом импульсов, но на практике это полностью не устраняет гармоники низких порядков, а само решение по инвестициям оказывается очень дорогим.

Практически устраняет проблему интеграция пассивного шунтирующего фильтра гармоник L-C типа рядом с преобразователем, как правило настраиваемого на гармонику с максимальной амплитудой. Фильтры могут быть относительно простыми в конструкции, но обычно это более сложные и дорогие многозвенные колебательные контуры II или III порядка, обеспечивающие более широкую полосу демпфированных частот.

Вместе с тем пассивные фильтры имеют и свои недостатки — они могут «расстраиваться» с течением времени по причине:

• изменения емкости фильтра по мере деструкции диэлектрика, температурного режима, выхода из строя отдельных конденсаторов;
• изменения индуктивности из-за температурного старения обмоток реактора и протекания токов больших амплитуд.

В целом это не является критичным, если на объекте хотя бы с частотой, установленной нормативно-правовыми актами, выполняется мониторинг качества электроэнергии и обслуживание силовой сети.