ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Расчет гармоник тока и напряжения в электросети, питающей преобразователь частоты

Как было показано в гл. 2, неуправляемый диодный выпрямительный мост в составе преобразователя частоты, является источником высокочастотных гар­моник тока и напряжения. В некоторых случаях необходимо оценивать уровень этих гармоник, так как превышение допустимого уровня их содержания в питающей сети вызывает дополнительные потери в питающем трансформаторе и другом силовом оборудовании. Для расчета уровня гармоник в конкретной питающей сети необходимо знать ее полное сопротивление, значение которо­го влияет на уровень тока короткого замыкания сети, номинальные парамет­ры питающего трансформатора и установленное полное сопротивление пита­емых электроприемников. Существуют прикладные программы для определе­ния количественного состава гармоник тока и напряжения в питающей сети в зависимости от нагрузки, типа и числа подключенных преобразователей. На­пример, программное обеспечение Harmac4, созданное фирмой Siemens для анализа гармонического состава сети, питающей преобразователи частоты.

Состав гармоник, поступающих в питающую сеть, зависит от режима ра­боты привода. Рассмотрим двигательный режим работы привода с использо­ванием неуправляемого выпрямителя и генераторный режим с использова­нием модуля выпрямления/рекуперации, взяв за основу соответствующие эквивалентные схемы (рис. 3.10).

Предположим, что ток нагрузки /н остается постоянным и рассчитаем его соответственно для двигательного и генераторного режимов:

^'н — ^дв. ном/( ^вЛдвЛн)? ^'н — (^лв. номЛдвЛи)/^?

Где Рдв. ном — номинальная мощность двигателя; г|ДБ, ри — соответственно КПД двигателя и инвертора; UB — выпрямленное напряжение на звене постоянного тока.

В двигательном режиме UB можно оценивать без учета падения напряжения в промежуточных цепях: UB = ,35UC где Uc — напряжение питания сети на входе преобразователя. В генераторном режиме значение UB задается при на­стройке контура регулирования напряжения на звене постоянного тока.

Емкость конденсатора С определяется для конкретного преобразователя частоты или инвертора. Индуктивность сетевого фильтра Lc рассчитывается исходя из мощности короткого замыкания 5КЗ на стороне высокого напряже­ния питающего трансформатора, его номинальной мощности 5Т Н0М и напря­жения короткого замыкания мКзт( %)- а также напряжения короткого замыка­ния входного сетевого дросселя мКЗд ( %) и номинальной активной или пол­ной мощности инвертора 5И ном. В режиме рекуперации энергии при наличии модуля выпрямления/рекуперации необходимо также учитывать напряжения короткого замыкания согласующего автотрансформатора мкзат ( %)• Суммар­ная индуктивность сети таким образом складывается из следующих компо­нентов:

Lo = -^КЗв + -^КЗт + ^КЗд + (^КЗАт)і

Где L'K3b = iPJiS^a) — составляющая высоковольтной питающей сети; £КЗт = t/2cMK3T/(1S'T Н0мсо) — составляющая питающего трансформатора; ^кзд = U2cuK3J(SHMOVa) — составляющая входного сетевого дросселя; LK3AT = = Ј/2ci/K3,vr/(S„.nm, to) — составляющая согласующего автотрансформатора (при использовании модуля выпрямления/рекуперации); со = 2тс/

Расчет гармоник, поступающих в питающую сеть, рассмотрим на примере привода мощностью 90 кВт при работе в двигательном и генераторном режи­мах.

Пример 3.1. Для работы в двигательном режиме используется преобразователь ча­стоты мощностью 90 кВт с входным сетевым дросселем («кзд = 2 %). В генераторном режиме используется инвертор с звеном постоянного тока мощностью 90 кВт, пита­ющийся от модуля выпрямления/рекуперации мощностью 90 кВт с входным сете­вым дросселем (иКзд = 4 %). Номинальный выходной ток преобразователя/инвертора ном = 186 А. Инверторный мост модуля выпрямления/рекуперации подключается к питающей сети через согласующий автотрансформатор (икзат = 2 %). Характерис­тики питающей сети, одинаковые для обоих режимов: используется трансформатор 2,2/0,4 кВ, 5Т. Н0Ч = 150 кВ ■ А, мКЗт = 4 %, 5КЗ = 10 MB ■ А. КПД двигателя 94,9 %; КПД инвертора 98 %. Емкость конденсатора в звене постоянного тока преобразователя час­тоты и инвертора С = 12 мФ.

Компоненты для расчета индуктивности питающей сети Lc:

4002 _ , 4002 ■ 0,04 ,,, _

Lkt.„ =--------- 1------ = 51 мкГн; 1КЗв =------------------- г—— = 136 мкГн;

К3в 10 10б 315 3 150 103 ■ 314

4002 0,02 V3 ■ 400 ■ 186 314

АсЗд2% = п: . = 79 мкГн;

Таким образом, в двигательном режиме £с = 1'кздтв + ^кзт + ^кзд2% = 266 мкГн, а в генераторном £с = L'KЗв + 1КЗт + 1КЗд4»с + ^кзат2% = 424 мкГн. Ток нагрузки в двигательном режиме при UB = 521 В

/н = ЛвнА^вЛдвЛи) = 90 107(521 0,949-0,98) = 186 А.

Ток нагрузки в генераторном режиме при Ub = 521 В

4 = (^B.„rWl„)/Ј4 = (90-103 ■ 0,949 -0,98)/521 = 161 А.

Приведем количественные результаты анализа гармонического состава тока пи­тающей сети в специализированном программном пакете Excel/VBA с графиками изменения формы тока и напряжения питающей сети в двигательном и генераторном режимах (рис. 3.11), тока и напряжения на звене постоянного тока ПЧ в двигательном и генераторном режимах (рис. 3.12), а также диаграммы, отражающие гармонический состав тока питающей сети (в % от основной гармоники) в двигательном и генератор­ном режимах (рис. 3.13).

Двигательный режим: /с(= 145,5 А — амплитудное значение первой гармоники тока питающей сети во вторичной обмотке трансформатора; cos ф(1) = 0,963 — коэф­фициент мощности первой гармоники; /cZ= 153,2 А — среднеквадратичное значение тока питающей сети во вторичной обмотке трансформатора; Кф1 = 7,2 — коэффици­ент искажения формы тока питающей сети во вторичной обмотке трансформатора; АГфі = 2 % — коэффициент искажения формы тока питающей сети в первичной обмот­ке трансформатора.

Тающей сети в вторичной обмотке трансформатора; А"ф2 = 8,6 — коэффициент иска­жения формы тока питающей сети в вторичной обмотке трансформатора; = 2,4 % — коэффициент искажения формы тока питающей сети в первичной обмотке трансфор­матора; а= 141,3° — угол открытия тиристоров модуля выпрямления/рекуперации.

Следует заметить, что ток нагрузки в звене постоянного тока в генераторном ре­жиме ниже, чем в двигательном, вследствие влияния КПД двигателя и инвертора. Однако значение основной гармоники тока питающей сети в генераторном режиме больше, чем в двигательном, так как коэффициент мощности cos<p(|) в генераторном режиме меньше, чем в двигательном (угол открытия тиристоров модуля рекуперации Данный факт обусловлен также применением повышающего автотрансформато­ра. Несмотря на большую индуктивность питающей сети Lc в генераторном режиме наблюдаются более высокие гармоники тока из-за неблагоприятного влияния угла (3 модуля выпрямления/рекуперации.