CC BY
40
ВТСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНТЧНОГО УНТВЕРСИТЕТУ
2005 р. Вип. №15
УДК 621.314.1:621.382+629.12.03.83
Волков И.В.1, Кабан В.П.2, Матвеев В.Ю.3
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ ГАРМОНИК ТОКА В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ
Показаны преимущества использования новых универсальных фильтров гармоник
тока в силовых цепях частотно-регулируемых электроприводов переменного тока.
Интенсивное внедрение нелинейных нагрузок в значительной мере обострило проблему высших гармоник в современных системах электропитания. Прежде всего, это связано с массовым применением компьютерной и офисной техники, регулируемых приводов, газоразрядных осветительных приборов, электросварочного и другого технологического оборудования, использующего явление дугового разряда. В большинстве этих устройств применяется однофазный или трехфазный выпрямитель с емкостным фильтром, поэтому ток, потребляемый этими устройствами, носит импульсный характер. Для предотвращения вредного воздействия высших гармоник тока на оборудование используют специальные устройства, чаще всего - дроссели в цепях переменного или постоянного тока. Например, многие фирмы поставляют частотно-регулируемые привода в комплекте с так называемым 3 % дросселем в цепи переменного тока. Ввиду того, что индуктивное сопротивление дросселя прямо пропорционально частоте питающей сети, для основной гармоники оно будет иметь значительно меньшее значение, чем для высших гармоник, тем самым, ослабляя влияние последних на питающую сеть.
Эффективность применения линейных дросселей невелика. Так, для трехфазной системы выпрямления уже упоминавшийся 3 % дроссель позволяет снизить коэффициент искажения синусоидальности потребляемого тока до 45 %. Как правило, этого недостаточно для нормальной работы критичных к высшим гармоникам потребителей. Ограничивает применение дросселей зачастую фактор их значительного веса и габаритов. Так, в современных приводах, выпускаемых ведущими фирмами, вес дросселя составляет примерно более трети веса всего привода [1].
Не позволяет достичь радикального улучшения показателей искажения синусоидальности и установка дросселя в цепь постоянного тока. Недостатки остаются такими же, как и у дросселей переменного тока [2].
Более эффективным является использование пассивных LC фильтров. Среди них одними из наиболее часто применяемых являются так называемые «отсасывающие фильтры». Их действие основано на эффекте резонанса для определенной частоты последовательно включенных конденсатора и дросселя. При соблюдении равенства индуктивного сопротивления дросселя и емкостного сопротивления конденсатора результирующее сопротивление цепи будет определяться только добротностью контура и сопротивлением участка линии от нелинейной нагрузки до места установки фильтра. Для гармоники соответствующей резонансной частоты эта цепь представляет собой наименьшее сопротивление. Именно поэтому токи этой гармоники будут протекать преимущественно по указанному пути, а в цепях других потребителей их значение значительно уменьшится. Недостатком этого вида фильтров является избирательность их действия на гармонический состав токов нелинейной нагрузки, что приводит к необходимости установки нескольких LC цепочек, каждая из которых настроена в резонанс на соответствующую гармонику, присутствующую в спектре несинусоидального тока потребления. Чаще всего «отсасывающие» фильтры устанавливаются на 5-ю, 7-ю, 9-ю и 11-ю гармоники. К недостаткам
1 Институт электродинамики НА НУ, д-р. техн. наук, проф.
Институт электродинамики НАНУ, канд. техн. наук, ст. научн. сотр.
Институт электродинамики НАНУ, канд. техн. наук, научн. сотр.
этих фильтров следует также отнести необходимость тщательного учета уровня той или иной гармоники так, как ввиду малого значения сопротивления даже незначительное повышение напряжения п-ной гармоники может привести к перегрузке фильтра. Поэтому каждому подключению новой нелинейной нагрузки должен предшествовать тщательный анализ сети потребителя для полной и точной регистрации токов высших гармоник.
Несовершенство средств фильтрации токов высших гармоник стимулировало поиск новых разработок в этой области. Результатом, такого рода работ явилось создание нового вида устройств пассивной фильтрации - так называемых универсальных фильтров гармоник. Эти фильтры были разработаны Институтом электродинамики НАЛ Украины и фирмой «MIRUS» (Канада). В них наилучшим образом сочетаются свойства дросселя, отсасывающего фильтра и взаимодействия электромагнитных потоков за счет расположения обмоток одной и той же фазы на разных стержнях трехфазного магнитопровода. Эти фильтры серийно выпускаются фирмой «MIRUS» и зарекомендовали себя на рынке Канады, США и многих других стран, как надежное, экономичное и высокоэффективное средство борьбы с высшими гармониками в сетях с нелинейными нагрузками. От других пассивных LC фильтров их отличает высокая эффективность при сравнительно малых весах и габаритах.
В 2003 году впервые в Украине на одном из предприятий г. Киева был внедрен один из такого рода фильтров, а именно: Lineator UHF-200-400-50-DL-E1.
Схема фильтра представлена на рис.1. Как видно из рисунка, фильтр включен последовательно с преобразователем с блоком «выпрямитель-инвертор» фирмы ABB и состоит из трехфазного дросселя с особым образом включенными обмотками, обеспечивающими электромагнитную связь между фазами, и двух конденсаторных батарей. Одна из них подключена параллельно обмотке LI, а вторая соединена в треугольник и подключена последовательно с обмоткой L3.
Рис.1 - Подключение универсального фильтра UHF-200-400-50 к приводу
Предпосылками к внедрению фильтра были следующие обстоятельства. На предприятии регулярно выходили из строя конденсаторные батареи статических компенсаторов реактивной мощности. Из-за этого компенсаторы были отключены от сети. Тщательное обследование системы электроснабжения предприятия позволило установить, что в сети 0,38 кВ присутствуют в значительной степени высшие гармонические составляющие тока и напряжения.
Источником этих искажений являются два частотно-регулируемых привода ACS - 600 мощностью 160 кВт каждый производства фирмы ABB. Несмотря на то, что коэффициент искажения формы напряжения Ки не превышал регламентируемое ГОСТ 19107 - 97 нормально допустимое значение, использование на этом предприятии конденсаторных компенсаторов ре-
активной мощности, не защищенных дросселями, стало невозможным из-за их перегрева и возникновения резонансных режимов.
На рис. 2 показан входной ток привода, установленного на предприятии, при номинальной нагрузке, а на рис. 3 показаны форма тока и гармонический состав при той же нагрузке и установке универсального фильтра.
-560 А
Т = 20 ms (f = 50 Hz)
-40%-
-20%-
THDi -39%
THDu =3.5%
LjlLLl
1 3 5 7 11 13 1719 23
Harmonics
Рис.2 - Ток потребления частотно-регулируемого привода ACS-600 фирмы ABB при номинальной нагрузке и его спектральный состав
Г560А
35
10%
5%
J_1-Ж.
1113
........."1
rHDi - 6.8% FHDu= 1.9%
Harmonics :
Рис.3 - Ток потребления привода АС8-600 при установке фильтра иНР-200-400-50
и его спектральный состав
Сравнивая полученные результаты, приходим к заключению, что установка фильтра позволила резко уменьшить влияние частотно-регулируемого привода на питающую сеть. Форма потребляемого тока приближается к синусоиде, а коэффициент искажения синусоидальности по току уменьшился с 39 % до 6,8 % при нагрузке, близкой к номинальной. При этом резко изменились условия эксплуатации конденсаторных батарей компенсатора реактивной мощности. Так, при отсутствии фильтра ток через конденсатор резко отличался от синусоиды (коэффициент искажения синусоидальности составлял около 50 %), а при установке фильтра коэффициент искажения по току снизился до 16,5 % ,что позволило включить в эксплуатацию компенсирующую конденсаторную установку.
Дальнейшее снижение влияния частотно-регулируемого привода на питающую сеть может быть достигнуто за счет применения линейных дросселей переменного тока, которые включаются последовательно с конденсаторными батареями. В данном случае были использованы 7 % дроссели. Их включение позволило снизить коэффициент искажения синусоидальности по току до 3,7 % и улучшить форму тока через конденсатор практически до синусоидальной.
Длительная эксплуатация конденсаторных батарей при установленном универсальном фильтре и 7 % дросселях показала, что коэффициент искажения синусоидальности кривой тока, как на вводе всего компенсационного устройства, так и на отдельных конденсаторах не превышал 8%, что является вполне достаточным для надежной их эксплуатации.
Одной из полезных особенностей фильтров рассматриваемого типа является трапецеидальная форма напряжения на их выходе. Благодаря этому пульсации выпрямленного напряжения на шинах постоянного тока привода снижаются в 4-5 раз, и поэтому можно существенно (примерно в 2 раза) уменьшить батарею сглаживающих электролитических конденсаторов.
Еще одно преимущество этих фильтров - улучшение электромагнитной совместимости с соседним электронным оборудованием за счет дополнительного ослабления (на 15-25 децибел) несимметричных помех (Common Mode Noise), сопровождающих работу узлов ШИМ современных приводов.
Отмеченные преимущества позволяют использовать универсальные фильтры и как приставки к существующему оборудованию в узлах нагрузки, так и в качестве внутренних узлов комплектного частотно-регулируемого электропривода, исключив из его состава сетевые реакторы и уменьшив батарею сглаживающих конденсаторов.
В заключение отметим, что существующая нормативная база, регламентирующая степень искажения синусоидальности напряжения нелинейными потребителями, ни в коей мере не гарантирует надежность и безаварийность работы агрегатов, подключенных к общим с ними шинам электропитания [3]. Как видно из представленных здесь результатов, даже при коэффициентах искажения синусоидальности кривой напряжения значительно меньших нормально допустимых (2% - 3% против 8% нормально допустимых согласно ГОСТ) возможны режимы, при которых выходят из строя конденсаторные установки статических компенсаторов реактивной мощности.
Выводы
Одним из современных наиболее эффективных средств подавления гармоник, генерируемых нелинейными потребителями, является применение универсальных фильтров гармоник [4]. Они отличаются малыми габаритами, высокой эффективностью и доступной стоимостью. Их применение в сетях электропитания помимо основного эффекта подавления гармоник гарантирует увеличение коэффициента мощности, что в свою очередь дает возможность уменьшить количество конденсаторных батарей статических компенсаторов реактивной мощности, а в некоторых случаях даже отказаться от их использования.
Перечень ссылок
1. Волков И.В. Новая концепция построения силовых цепей частотно-регулируемых асинхронных электроприводов / И.В. Волков И Техн. Електродинамжа. - 1999. - №4. - С. 21-26.
2. Волков И.В. Сравнительный анализ способов фильтрации токов, потребляемых выпрямительными установками / КВ. Волков, КМ. Акынин, Г.В. Исаков // Техн. електродинамжа. -1999. - Ш,- С. 23-27.
3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко - М.: Энергоатомиздат, 1994- 266 с.
4. Patent US 6,127,743. Universal Harmonic Mitigating System / M. Levin (CA), J. Voikov (UA).-10.03.2000.
Статья поступила 17.03.2005
