Пути снижения гармоник в силовых сетях объектов и особенности проектирования при питании энергосистемы от генераторов, подключении новой нагрузки. Некоторые оптимальные способы превентивной защиты от гармонических возмущений силовой сети объекта.
В ранних публикациях компании «МИРКОН» рассматривались некоторые способы превентивного нивелирования гармонических возмущений в энергосистеме объекта за счет реконфигурации топологии силовой сети, увеличения соотношения между током короткого замыкания и номинальным током нагрузки, устранения рисков гармонического (параллельного) резонанса с конденсаторными установками повышения коэффициента мощности и т.д., но помимо этого есть ряд оптимальных технических и организационных мероприятий, способных достаточно недорого (в финансовом отношении) обеспечить приемлемые (для работы оборудования, проведения процессов) уровни гармоник.
Вместе с тем здесь важно понимать, что критически важным для любой энергосистемы был и остается источник питания - если система питается от изолированных генераторов, не подключенных к сети, то необходимо определить их полное сопротивление, которое обычно составляет от 14% до 20% по сравнению с 5% типичного распределительного трансформатора, т.е. генераторы в меньшей степени способны выдерживать гармоники тока, чем сеть общего пользования. Поэтому при питании (или резервном переходе на питание) от генераторов необходимо рассматривать вопрос предела допустимых гармонических возмущений особенно тщательно и здесь без проведения полного энергоаудита энергосистемы во всех ее рабочих режимах обойтись просто нельзя.
Важным остается и вопрос планирования подключения нового оборудования, поскольку гармоническое напряжение, вызванное данным током гармоник, пропорционально импедансу источника системы и поэтому, например, искажающие нелинейные нагрузки лучше подключать к главным шинам, а не «вниз по течению» длинных кабелей, используемых совместно с другим оборудованием.
Некоторые оптимальные способы превентивной защиты от гармонических возмущений силовой сети объекта
В подавляющем большинстве энергосистем объектов используются приводы с регулируемой скоростью с ШИМ преобразователями, являющимися источником эмиссии гармонических возмущений (исключение – приводы с активным входным каскадом (Active Front End - AFE), где ШИМ используется для создания синусоидальной обратной ЭДС, а гармонические токи в принципе отсутствуют). В типичном приводе (рис. ниже) входной переменный ток выпрямляется диодным мостом, напряжение сглаживается конденсатором (для приводов мощностью более 2,2 кВт ток катушкой индуктивности), затем ток подается на каскад инвертора, который используется для создания синусоидального выходного тока с регулируемым напряжением и частотой.
Однако гармоники возникают не в каскаде инвертора или его контроллере, а во входном выпрямителе, который может быть однофазным или трехфазным. В однофазном Фурье-анализ (график сверху на рис. ниже) формы сигнала показывает по одному пику в каждом цикле, а поскольку форма волны симметрична в положительном и отрицательном полупериодах, гармоники четного порядка присутствуют только на очень низком уровне, а нечетные гармоники довольно высокие, но быстро уменьшаются с увеличением номера и к 25-й их уровень пренебрежимо мал (график снизу на рис. ниже).
В трехфазном приводе в каждом сетевом цикле есть два пика, каждый из которых составляет около 20% пиков в однофазного, причем гармоники, кратные 3 в спектре вообще отсутствуют, а значит тока в нейтрали нет, причем практика показывает, что если существующие гармонические искажения в сети в основном вызваны однофазными нагрузками, то доминирующие пятая и седьмая гармоники также уменьшаются трехфазными приводами.
Поэтому при возможности менеджменту объекта стоит использовать трехфазные приводы, а последовательно подключенный реактор (индуктивность) на входе привода дает хорошее снижение гармонического тока. Так, на рисунках ниже видно, что дополнительная индуктивность на входе однофазного привода улучшает форму и спектр тока по сравнению с приводом без реактора, а поскольку в трехфазном выпрямителе отсутствует ток третьей гармоники, то использование индуктивности на входе трехфазного привода дает еще более лучший результат.
В следующих материалах мы расскажем о правильном подборе ШИМ преобразователей, параллельных и последовательных пассивных, активных фильтрах гармоник и т.д.
