Способы подавления гармоник тока в системах электропитания

5. Применение активного кондиционера гармоник

   Активный  кондиционер гармоник (Active Harmonic Conditioner - AHC) [ 8, 9, 10 ] в отличие от магнитного синтезатора подключается не последовательно  с нелинейной нагрузкой, а параллельно  ей (рис.7).

   Принцип действия активного кондиционера гармоник (АКГ) основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании  в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

   Ток нелинейной нагрузки содержит основную ( i₁ ) и высшие ( i_n ) гармоники:

   Ток АКГ содержит противофазные току нагрузки высшие гармоники:

   В результате ток, потребляемый от источника, практически синусоидален, так как  содержит только основную (первую) гармонику:

   Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а АКГ покрывает практически  весь спектр высших гармоник от 2-ой до 25-ой. АКГ может быть установлен в любой точке распределительной сети и способен компенсировать высшие гармоники от одной или нескольких нелинейных нагрузок.

   Некоторые модели АКГ могут обеспечить компенсацию действующих значений высших гармоник от 20 до 120 А.

   Связь между действующими значениями токов нагрузки и источника устанавливается следующим выражением:

   В первом приближении можно считать, что действующие значение тока АКГ, необходимое для компенсации высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой в распределительную систему определяется следующим соотношением:

   Повышенное  значение тока, получаемое из выражения (10), объясняется тем, что АКГ обеспечивает компенсацию гармоник не выше 25-ой и может быть настроен на компенсацию гармоник ниже указанного порядка, тогда как в составе тока нагрузки могут присутствовать гармоники более высокого порядка.

   Блок-схема  АКГ "SineWave" приведена на рис. 9. В состав АКГ входят следующие  узлы: IGBT-преобразователь, устройство управления и контроля, блок защиты и мягкого пуска и токовые  датчики. Преобразователь АКГ содержит трехфазный инвертор на IGBT транзисторах, коммутируемых с тактовой частотой 16 КГц, два конденсатора С1, С2 и линейные дроссели в каждой фазе (Др1). Устройство управления и контроля состоит из блока анализа гармоник тока, блока установки номеров компенсируемых гармоник, блока управления преобразователем и мониторинга.

   На  анализатор гармоник поступают сигналы  с быстродействующих датчиков тока нагрузки (ДТ1) и тока АКГ (ДТ2). Блок защиты и мягкого пуска содержит быстродействующие предохранители и с помощью контактора и балластного сопротивления обеспечивает плавный заряд конденсаторов С1, С2 в период включения АКГ.     

   Различают следующие способы компенсации гармоник с использованием АКГ:

• локальный (индивидуальный);
• глобальный (общий);
• многоуровневый (распределенный);
• каскадный (последовательное включение);
• мультикомпенсационный.

   При локальном способе обеспечивается защита критичных нагрузок, подключенных в распределительную сеть, от повышенного уровня гармоник, генерируемых одной из нелинейных нагрузок. В этом случае АКГ подключается как можно ближе к наиболее мощной нелинейной нагрузке (рис. 10 а).

   Для увеличения номинального значения тока компенсации и (или) повышения надежности системы возможно параллельное включение АКГ на одну нелинейную нагрузку (рис.10 б). SineWave допускает работу в параллель до 4-х модулей. При этом, если один из модулей выходит из строя или отключается, то остальные остаются в работе.

   При глобальном способе обеспечивается компенсация гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, которые  подключены к силовому фидеру электропитания и расположены в других зданиях, цехах или зонах технологического процесса. В этом случае АКГ должно подключаться к главному распределительному щиту (рис. 10 в).

   В случае группы нелинейных нагрузок целесообразен  мультикомпенсационный способ, при  котором один модуль АКГ способен компенсировать гармоники от трех нелинейных нагрузок (рис. 10г).

   Каскадный способ включения АКГ позволяет  избежать взаимовлияние различных  кондиционеров в системе (рис. 10 д). Первый кондиционер (АКГ1) обеспечивает защиту от гармоник мощной нелинейной нагрузки, а второй кондиционер малой  мощности (АКГ2) осуществляет компенсацию гармоник от других маломощных нелинейных нагрузок. Каскадное включение увеличивает степень компенсации гармоник тока при изменении нагрузки при использовании АКГ с меньшими номинальными значениями тока компенсации.

   Многоуровневый способ предусматривает подключение АКГ на нескольких уровнях распределительной сети (рис. 10 е), что может быть сведено к каскадному способу включения АКГ.

   Рис. 10. Способы компенсации  гармоник.

Заключение

   Следует отметить, что для точного решения  задачи по кондиционированию гармоник требуется:

• знание условий эксплуатации и технические характеристики источников энергии, распределительной системы и автоматов защиты;
• точного знания характеристик нагрузок (гармонического состава токов, потребляемой мощности, места их подключения в системе электропитания);
• использование специальных измерительных приборов для экспериментального определения гармонического состава тока в различных участках распределительной системы электропитания;
• проведение анализа и моделирования изучаемой системы электропитания.

   Комплекс  этих мероприятий необходим для  правильного проектирования системы  электропитания и выбора требуемой  спецификации оборудования, способной  обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС), соответствующую современным  международным стандартам.