Анонс: эмиссия гармонических искажений преобразователями разной мощности, в том числе используемыми в частотно-регулируемых приводах. Особенности генерации гармонических искажений системами энергосберегающего освещения.
В предыдущем материале была рассмотрена эмиссия гармонических искажений преобразователями с тиристорной и транзисторной коммутацией, 6- и 12-импульсными инверторами тока, напряжения, а также определено условное деление электронных силовых устройств на преобразователи большой мощности, среднего размера и инверторы-выпрямители малой мощности, используемые и в промышленном, коммерческом секторах, и в быту. Ниже будут показаны наиболее значимые особенности генерации гармоник при работе преобразователей разной мощности и систем «энергосберегающего» освещения.
Преобразователи большой мощности, среднего размера и маломощные выпрямители
Преобразователи большой мощности используются в сегментах электроэнергетики, в которых большие объемы энергии преобразуются из переменного тока в постоянный. Их номинальная мощность находится в диапазоне мегавольтампер, и, как правило, они имеют гораздо более высокую индуктивность на стороне постоянного тока, чем на стороне переменного тока. Следовательно, постоянный ток практически постоянен, и преобразователь действует как источник гармонического напряжения на стороне постоянного тока, равно и как источник гармонического тока на стороне переменного тока. Кроме того, в идеально сбалансированной системе все результирующие токи одинаковы во всех фазах.
Силовые преобразователи среднего размера с номинальной мощностью в диапазоне киловольтампер все больше интегрируются в промышленных силовых сетях, а первые применения в отрасли были для управления скоростью двигателя постоянного тока, причем эти устройства до сих пор формируют основную долю рынка сбыта. Однако благодаря появлению силовых транзисторов и тиристоров GTO преобразователи среднего размера все чаще используются в управлении скоростью асинхронного двигателя переменного тока и лидирует по внедрению нефтяная промышленности, где погружные насосные системы с частотно-регулируемыми приводами стали приоритетным инструментом добычи нефти.
Подобно крупногабаритным силовым преобразователям, амплитуда пятой гармоники у этих устройств может достигать от одной пятой до одной трети номинального тока фундаментальной частоты, однако в случае применения на электрических железных дорогах в течение начального периода разгона с максимальным током в двигателе постоянного тока выпрямительный мост создает наихудшие гармонические токи и работает с низким коэффициентом мощности.
Справка
В самом общем контексте можно выделить два типа частотно-регулируемых приводов: те, которые выпрямляют мощность переменного тока и преобразуют ее обратно в мощность переменного тока с переменной частотой, и те, которые выпрямляют мощность переменного тока и напрямую подают ее на двигатели постоянного тока. В обоих случаях входной выпрямитель, в котором могут использоваться диоды, тиристоры, IGBT или любые другие полупроводниковые переключатели, выполняет процесс коммутации, при котором ток передается от одной фазы к другой. Эта передача тока «импульсами» приводит к значительным искажениям тока и напряжения прямо на стороне источника, т. е. в точке общего соединения. Изменения скорости двигателя, которые достигаются за счет управления фазовым углом, будут обеспечивать различные уровни содержания гармоник в формах тока и напряжения.
Конструкции частотно-регулируемых приводов также определяют, где гармонические токи будут оказывать преимущественное влияние. Например, инверторы источников напряжения создают сигналы сложной формы, демонстрирующие значительные гармонические искажения на напряжении и меньшие на формах сигналов тока. С другой стороны, инверторы источников тока создают формы сигналов тока со значительным содержанием гармоник, но с формами сигналов напряжения, близкими к синусоидальным.
Преобразователи малой мощности - источники бесперебойного питания (ИБП), сварочные аппараты, компьютеры, принтеры, другие периферийные устройства и пр. активно внедряются в силовых сетях коммерческих объектов, офисных зданий, квартирах, частных домах жилого сектора и суммарно набрасывают в сеть гармонические искажения большой мощности и широкого спектра. Вносят свою долю набирающие популярность зарядные устройства, в которых спектр и амплитуда гармоник зависят от начального напряжения аккумуляторной батареи и от времени. Как и в других устройствах, использующих постоянный ток (телевизоры, ресиверы, усилители и т. д.), зарядные устройства создают гармоники нулевой последовательности, которые перегружают нейтральный провод трехфазного распределительного трансформатора, питающего однофазные низковольтные нагрузки. Это связано с тем, что фазовый угол третьей гармоники изменяется недостаточно для подавления гармоник, и поэтому они складываются алгебраически.
Особенности генерации гармонических искажений системами энергосберегающего освещения
Люминесцентные и светодиодные лампы очень нелинейны в своей работе и генерируют нечетные гармонические токи значительной амплитуды, а их энергосбережение достигается за счет использования токов более высоких частот, что позволяет генерировать больше световой энергии при той же потребляемой мощности. Любая энергосберегающая лампа для своей работы использует пусковой балласт – магнитный (индукторы с магнитным сердечником или «дроссели») или электронный, а это тот же преобразователь (выпрямитель-инвертор) с коммутацией транзисторами или тиристорами.
В четырехпроводной трехфазной сети доминирующими гармониками фазного тока энергосберегающего освещения являются третья, пятая и седьмая, если они используют магнитный балласт, и пятая для ламп с электронным балластом. В нейтрали добавляются тройные гармоники, причем только третья является доминирующей для магнитного балласта, но несколько гармоник, если используется электронный балласт. Кроме того, цепи освещения на масштабных объектах часто разветвленные и сочетаются с плохо диверсифицированной нагрузкой, а с отдельными конденсаторами для коррекции коэффициента мощности сложная LC-цепь может приблизиться к резонансному состоянию вблизи частоты третьей гармоники.
