"Icke-linjäritet betyder att det är svårt att lösa," sa Arthur Mattuck, en matematiker vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), en gång.Men det bör åtgärdas när olinjäritet tillämpas på elektriska belastningar, eftersom det genererar harmoniska strömmar och negativt påverkar kraftfördelningen - och det är kostsamt.Här förklarar Marek Lukaszczyk, marknadschef för Europa och Mellanöstern för WEG, en global tillverkare och leverantör av motor- och drivteknik, hur man dämpar övertoner i växelriktarapplikationer.
Lysrör, strömförsörjning, elektriska ljusbågsugnar, likriktare och frekvensomriktare.Alla dessa är exempel på enheter med icke-linjär belastning, vilket innebär att enheten absorberar spänning och ström i form av plötsliga korta pulser.De skiljer sig från enheter som har linjär belastning – som motorer, värmare, transformatorer som är strömsatta och glödlampor.För linjära belastningar är förhållandet mellan spännings- och strömvågformer sinusformigt, och strömmen vid varje tidpunkt är proportionell mot den spänning som uttrycks av Ohms lag.
Ett problem med alla icke-linjära laster är att de genererar harmoniska strömmar.Övertoner är frekvenskomponenter som vanligtvis är högre än nätaggregatets grundfrekvens, mellan 50 eller 60 Hertz (Hz), och som läggs till grundströmmen.Dessa extra strömmar kommer att orsaka distorsion av systemets spänningsvågform och minska dess effektfaktor.
Harmoniska strömmar som flyter i det elektriska systemet kan ge andra oönskade effekter, såsom spänningsförvrängning vid sammankopplingspunkter med andra belastningar och överhettning av kablar.I dessa fall kan mätningen av total harmonisk distorsion (THD) berätta hur mycket av spännings- eller strömdistorsionen som orsakas av övertoner.
I den här artikeln kommer vi att studera hur man kan minska övertoner i växelriktarapplikationer baserat på industrirekommendationer för korrekt övervakning och tolkning av fenomen som orsakar problem med energikvaliteten.
Storbritannien använder Engineering Recommendation (EREC) G5 från Energy Network Association (ENA) som en god praxis för att hantera harmonisk spänningsdistorsion i transmissionssystem och distributionsnät.I Europeiska unionen finns dessa rekommendationer vanligtvis i direktiv om elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), som inkluderar olika standarder från International Electrotechnical Commission (IEC), såsom IEC 60050. IEEE 519 är vanligtvis en nordamerikansk standard, men det är värt att notera att IEEE 519 fokuserar på distributionssystem snarare än enskilda enheter.
När väl övertonsnivåerna har bestämts genom simulering eller mätning, finns det många sätt att minimera dem för att hålla dem inom acceptabla gränser.Men vad är den acceptabla gränsen?
Eftersom det inte är ekonomiskt genomförbart eller omöjligt att eliminera alla övertoner, finns det två internationella EMC-standarder som begränsar förvrängningen av strömförsörjningsspänningen genom att specificera det maximala värdet för övertonsströmmen.De är IEC 61000-3-2-standarden, lämplig för utrustning med en märkström på upp till 16 A (A) och ≤ 75 A per fas, och IEC 61000-3-12-standarden, lämplig för utrustning över 16 A.
Gränsen för spänningsövertoner bör vara att hålla THD (V) för punkten för gemensam koppling (PCC) vid ≤ 5 %.PCC är den punkt där kraftdistributionssystemets elektriska ledare är anslutna till kundledarna och eventuell kraftöverföring mellan kunden och kraftdistributionssystemet.
En rekommendation på ≤ 5 % har använts som enda krav för många applikationer.Det är därför i många fall att bara använda en växelriktare med en 6-puls likriktare och ingångsreaktans eller likströms (DC) länkinduktor är tillräckligt för att uppfylla rekommendationen för maximal spänningsdistorsion.Naturligtvis, jämfört med en 6-puls växelriktare utan induktor i länken, kan användning av en växelriktare med likströmsspol (som WEG:s egen CFW11, CFW700 och CFW500) avsevärt minska övertonsstrålningen.
I övrigt finns det flera andra alternativ för att reducera systemövertoner i växelriktarapplikationer, som vi kommer att introducera här.
En lösning för att minska övertoner är att använda en växelriktare med en 12-puls likriktare.Denna metod används dock vanligtvis endast när en transformator redan är installerad;för flera växelriktare anslutna till samma DC-länk;eller om en ny installation kräver en transformator avsedd för växelriktaren.Dessutom är denna lösning lämplig för effekt som vanligtvis är större än 500 kilowatt (kW).
En annan metod är att använda en 6-puls frekvensomriktare med aktiv ström (AC) med ett passivt filter vid ingången.Denna metod kan koordinera olika spänningsnivåer - harmoniska spänningar mellan mellan (MV), hög spänning (HV) och extra hög spänning (EHV) - och stöder kompatibilitet och eliminerar negativa effekter på kundernas känsliga utrustning.Även om detta är en traditionell lösning för att minska övertoner, kommer det att öka värmeförlusten och minska effektfaktorn.
Detta för oss till ett mer kostnadseffektivt sätt att reducera övertoner: använd en växelriktare med en 18-puls likriktare, eller speciellt en DC-AC-drivenhet som drivs av en DC-länk genom en 18-puls likriktare och en fasskiftande transformator.Pulslikriktaren är samma lösning oavsett om den är 12-puls eller 18-puls.Även om detta är en traditionell lösning för att reducera övertoner, på grund av dess höga kostnad, används den vanligtvis endast när en transformator har installerats eller en speciell transformator för växelriktaren krävs för en ny installation.Effekten är vanligtvis större än 500 kW.
Vissa metoder för harmonisk dämpning ökar värmeförlusten och minskar effektfaktorn, medan andra metoder kan förbättra systemets prestanda.En bra lösning som vi rekommenderar är att använda aktiva WEG-filter med 6-puls frekvensomriktare.Detta är en utmärkt lösning för att eliminera övertoner som genereras av olika enheter
Slutligen, när ström kan regenereras till nätet, eller när flera motorer drivs av en enda DC-länk, är en annan lösning attraktiv.Det vill säga en aktiv frontend (AFE) regenerativ drivenhet och LCL-filter används.I detta fall har föraren en aktiv likriktare vid ingången och uppfyller de rekommenderade gränsvärdena.
För växelriktare utan likströmslänk - såsom WEGs egna CFW500, CFW300, CFW100 och MW500 - växelriktare - nyckeln till att reducera övertoner är nätverksreaktansen.Detta löser inte bara det harmoniska problemet, utan löser också problemet med att energi lagras i den reaktiva delen av växelriktaren och blir ineffektiv.Med hjälp av nätverksreaktans kan en högfrekvent enfas växelriktare laddad av ett resonansnätverk användas för att realisera kontrollerbar reaktans.Fördelen med denna metod är att energin som lagras i reaktanselementet är lägre och den harmoniska distorsionen är lägre.
Det finns andra praktiska sätt att hantera övertoner.En är att öka antalet linjära laster i förhållande till icke-linjära laster.En annan metod är att separera strömförsörjningssystemen för linjära och icke-linjära belastningar så att det finns olika spännings-THD-gränser mellan 5% och 10%.Denna metod överensstämmer med de ovan nämnda ingenjörsrekommendationerna (EREC) G5 och EREC G97, som används för att utvärdera den harmoniska spänningsdistorsionen hos olinjära och resonanta anläggningar och utrustning.
En annan metod är att använda en likriktare med ett större antal pulser och mata in den i en transformator med flera sekundärsteg.Flerlindade transformatorer med flera primära eller sekundära lindningar kan anslutas till varandra i en speciell typ av konfiguration för att ge den erforderliga utspänningsnivån eller för att driva flera belastningar vid utgången, vilket ger fler alternativ i kraftdistribution och flexibilitetssystem.
Slutligen finns den regenerativa drivdriften av AFE som nämns ovan.Grundläggande frekvensomriktare är inte förnybara, vilket innebär att de inte kan återföra energi till strömkällan - detta är särskilt inte tillräckligt, eftersom det i vissa tillämpningar är ett specifikt krav att återvinna den returnerade energin.Om den regenerativa energin behöver återföras till växelströmskällan är detta den regenerativa drivenhetens roll.Enkla likriktare ersätts av AFE-växelriktare och energi kan återvinnas på detta sätt.
Dessa metoder ger en mängd olika alternativ för att bekämpa övertoner och är lämpliga för olika typer av kraftdistributionssystem.Men de kan också spara energi och kosta avsevärt i olika tillämpningar och uppfylla internationella standarder.Dessa exempel visar att så länge som rätt växelriktarteknik används kommer icke-linjäritetsproblemet inte att vara svårt att lösa.
For more information, please contact: WEG (UK) LtdBroad Ground RoadLakesideRedditch WorcestershireB98 8YPT Tel: +44 (0)1527 513800 Email: info-uk@weg.net Website: https://www.weg.net
Process och kontroll Today ansvarar inte för innehållet i inskickade eller externt producerade artiklar och bilder.Klicka här för att skicka ett e-postmeddelande till oss med information om eventuella fel eller utelämnanden i den här artikeln.