Анонс: реальные текущие и перспективные проблемы силовых сетей объектов разного назначения. Особенности нагрузки переменного и постоянного тока, конвертируемого преобразователем. Что можно и нужно делать «самому» для снижения уровня гармонических искажений.
С неуклонным развитием потребительских силовых сетей и, в основном за счет использования электронного оборудования проблемы неудовлетворительного качества электроэнергии выходят на уровень критических. Причем сама концепция параметров качества электроэнергии, во всяком случае в нашей стране нуждается в коррекции, поскольку в число уже даже не приоритетов, а прерогатив выходят гармонические искажения, и, хотя ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020 регламентируют допустимые пределы гармоник (и уровни ответственности Абонент-Сетевая компания), пока единственные стандарты по искажениям, преобразователям, тиристорным ключам, фильтрам ориентированы на высоковольтные сети.
В наиболее сложных ситуациях defacto сегодня оказались офисные здания с очень высокой плотностью персональных компьютеров и объекты, на которых большая часть мощности питания используется электронным оборудованием, таким как приводы, преобразователи и ИБП.
Как правило, если общая нагрузка выпрямителя (например, приводы с регулируемой скоростью, ИБП, ПК и т. д.) в энергосистеме составляет менее 20 % от ее текущей мощности, то маловероятно, что гармоники будут ограничивающим фактором. Во многих промышленных установках мощность источника значительно превышает установленную нагрузку, и большая часть нагрузки не является значительным генератором гармоник – те же асинхронные двигатели и резистивные нагревательные элементы генерируют минимальные по амплитудам гармоники.
Если нагрузка выпрямителя превышает 20 %, то ситуация в корне меняется - должен быть предусмотрен план контроля и снижения гармонических искажений, причем речь идет уже не о каких-либо прямых финансовых выгодах, хотя они есть практически всегда (см. финансовые выгоды при компенсации реактивной мощности на фундаментальной частоте, и/или нивелировании гармоник на нефундаментальных частотах), а об обеспечении безаварийности работы энергосистемы в целом и соблюдении производственно-технологического процесса. Ситуация (условно) осложняется «параллельным» использованием нагрузки постоянного и переменного тока, хотя в действительности проблема - решаемая в любом случае и далеко не всегда для этого нужны крупные финансовые вложения.
Особенности нагрузки переменного и постоянного тока, конвертируемого преобразователем
Расчет входного тока для управляемого преобразователя-выпрямителя описан в большинстве стандартных учебников по силовой электронике. Особенно четкое и исчерпывающее описание дано в IEEE Std 519. Базовый расчет управляемого выпрямителя предполагает бесконечную индуктивную нагрузку, а для p-импульсного выпрямителя входной ток имеет ступенчатую форму волны с p равномерно расположенными шагами в каждом цикле. Легко показать, что он не содержит четных гармоник, а только нечетные порядка n=kp±1, где k — любое целое число. Амплитуды гармоник отвечают простому правилу для прямоугольных волн, обратно пропорциональных номеру гармоники: In=Iф/n, где In и n – соответственно ток и порядок гармоники, Iф – ток фундаментальной частоты.
В то время как для приводов постоянного тока гармоники определяются в основном параметрами внешней цепи, для переменного тока они главным образом зависят от внутренней индуктивности и емкости преобразователя. Поэтому конечному пользователю обычно нецелесообразно рассчитывать гармонические составляющие для переменного тока, а ответственность за предоставление данных по максимальным гармоническим искажениям несет производитель привода.
Однако, чтобы проанализировать всю систему, должны быть четко определены данные по гармоническим возмущениям для всех выпрямителей и других искажающих нагрузок. В общем случае каждая гармоника каждой единицы нагрузки является векторной величиной, которая может быть добавлена к другим только посредством сложения векторов, но обычно фазовый угол неизвестен, и только для неуправляемых выпрямителей фазовые углы доминирующих гармоник будут одинаковыми, а поэтому их амплитуды складываются напрямую.
Лучшим и практически единственным эффективным решением такой проблемы пока остается исследование качества электроэнергии в силовой сети с регистрацией, анализом, расчетом гармонических искажений до 50-го порядка (по интергармоникам до 49), однако эта процедура может и должна проводиться в рамках полного энергоаудита – длительного по времени, чтобы собрать данные при разных состояниях загрузки энергосистемы.
Что можно и нужно делать «самому» для снижения уровня гармонических искажений
При планировании новой установки часто приходится выбирать точку подключения и в подавляющем большинстве случаев это точка с наиболее низким импедансом, поскольку гармоническое напряжение, вызванное гармоническим током, пропорционально импедансу источника питания системы. Т. е. в идеале искажающие нагрузки лучше подключить к главным шинам, а не «ниже по течению» кабелей, используемых совместно с другим оборудованием.
Немаловажное значение имеет приоритет трехфазных подключений, поскольку гармонический ток для трехфазной нагрузки составляет всего около 30% тока для однофазной аналогичной номинальной мощности.
Эффективным решением проблемы гармонических искажений остается последовательно подключенная индуктивность, однако в идеале стоит использовать L-C фильтр с превентивной настройкой на частоту резонанса.
