Нелинейные нагрузки
Токи гармонической нагрузки генерируются всеми нелинейными нагрузками. Это включает:
- Источники питания с переключаемым режимом (SMPS)
- Электронные флуоресцентные лампы
- Преобразователи частоты (VSD)
- Источники бесперебойного питания (ИБП)
- Магнитопорошковые устройства
5 Типы оборудования, которое генерирует большинство гармоник (фото-кредит: forosdeelectronica.com)
1. Источники питания с переключением (SMPS)
Большинство современных электронных блоков используют источники питания с импульсным режимом (SMPS).
Электропитание режима переключения класса безопасности 2 (фото кредит: hypex.nl)
Они отличаются от более старых устройств тем, что традиционный понижающий трансформатор и выпрямитель заменяются прямым контролируемым выпрямлением питания для зарядки резервуарного конденсатора, из которого требуется необходимый постоянный ток, с помощью метода, соответствующего требуемому выходному напряжению и току.
Преимущество производителя оборудования в том, что размер, стоимость и вес значительно сокращаются, а блок питания может быть изготовлен практически в любом требуемом форм-факторе.
Недостаток - для всех остальных - заключается в том, что вместо вытягивания непрерывного тока из питания блок питания потребляет импульсы тока, которые содержат большое количество третьей и более высоких гармоник и значительных высокочастотных компонентов.
Простой фильтр установлен на входе питания для обхода высокочастотных компонентов от линии и нейтрали к земле, но он не влияет на гармонические токи, которые возвращаются к источнику питания.
Для блоков с высокой мощностью наблюдается недавняя тенденция к так называемым корректируемым входам коэффициента мощности. Цель состоит в том, чтобы нагрузка питания выглядела как резистивная нагрузка, так что входной ток становится синусоидальным и в фазе с приложенным напряжением. Это достигается за счет ввода входного тока в виде высокочастотного треугольного сигнала, который усредняется входным фильтром для синусоиды.
Этот дополнительный уровень сложности еще не совсем применим к недорогим устройствам, которые составляют большую часть нагрузки в коммерческих и промышленных установках.
Вернуться в Темы
2. Балласты флуоресцентного освещения
Магнитный балласт для одноконтактных компактных люминесцентных ламп
Электронные балласты освещения стали популярными в последние годы после претензий на повышение эффективности. В целом они лишь немного эффективнее лучших магнитных балластов, и на самом деле большая часть усиления объясняется тем, что лампа более эффективна при движении на высокой частоте, а не в самом электронном балласте.
Их недостаток - и важный в крупных установках - заключается в том, что инвертор генерирует как гармоники в токе питания, так и электрический шум (подробнее об этом).
Доступны корректируемые типы с коэффициентом мощности, которые уменьшают гармонические проблемы, но при значительно снижении стоимости.
Электронный балласт для флюоресцентных ламп
Магнитные балласты также генерируют гармоники, но уровни обычно ниже, чем у электронных блоков. Они часто включают локальный конденсатор коррекции коэффициента мощности, который действует как шунт низкого импеданса для гармонических токов. Следовательно, уровень искажения, распространяющегося в распределительную систему, ниже, и возникает меньше проблем.
Вернуться в Темы
3. Приводы постоянного тока с переменной скоростью
Токарный двигатель с регулируемой скоростью вращения постоянного тока (фото-кредит: micro-machine-shop.com)
Регуляторы переменной мощности для двигателей постоянного тока обычно основаны на трехфазном мосту, который также используется в линиях передачи постоянного тока и источниках бесперебойного питания. Он также известен как шестиимпульсный мост, потому что на выходе постоянного тока имеется шесть импульсов за цикл (по одному на половину цикла на фазу).
Рисунок 1 - Трехфазный или шестиимпульсный мост
Ток описывается серией:
Следовательно, мост будет создавать гармоники порядка:
n = 6k ± 1, где k - целое число
и величина каждого гармонического тока будет:
I n = I 1 / n, где I 1 представляет собой компонент 50 Гц.
Эти уравнения справедливы только тогда, когда импеданс источника низкий, а напряжение питания - чистая синусоида. Теоретически контроллер генерирует 30% общих гармонических токов, распределенных следующим образом:
Таблица 1 - цифры для искажения гармонических токов
| Гармонический номер | 5 | 7 | 11 | 13 | 17 | 19 | 23 | 25 |
| Величина (%) | 20, 0 | 14, 3 | 9, 1 | 7, 7 | 5, 9 | 5, 3 | 4, 3 | 4, 0 |
На практике двигатели постоянного тока имеют конечную индуктивность, поэтому пульсация 300 Гц (т. Е. В шесть раз превышает частоту питания) на постоянном токе. Это изменяет гармонический профиль тока питания, а на некоторых двигателях встречаются токи пятой гармоники до 50%.
Существует тенденция к использованию двигателей с меньшей индуктивностью для снижения затрат, но это может оказаться ложной экономикой; более высокие уровни гармоник труднее справиться, и гармонические фильтры, часто предназначенные для теоретического случая, могут быть повреждены.
Величина гармоник 5, 6 значительно уменьшается за счет использования двенадцатиимпульсного моста. Это фактически два шестиимпульсных моста, питаемых от звезды и обмотки дельта-трансформатора, обеспечивая фазовый сдвиг на 30 градусов между ними. Теоретически удаляются пятая и седьмая гармоники, но на практике они уменьшаются только в 20-50 раз.
Высшие гармоники остаются неизменными, уменьшая общий гармонический ток до примерно 12%, снова принимая нулевой импеданс источника. Мало того, что общий гармонический ток уменьшается, но и те, которые остаются, имеют более высокий порядок, что значительно упрощает дизайн фильтра.
Дальнейшее увеличение числа импульсов до 24, достигаемое с помощью двух параллельных блоков с двенадцатью импульсами с фазовым сдвигом 15 градусов, уменьшает общий гармонический ток до около 4, 5%. Разумеется, дополнительная изощренность увеличивает стоимость, поэтому этот тип контроллера будет использоваться только тогда, когда это необходимо, чтобы соответствовать ограничениям поставщиков электроэнергии.
Приведенные выше данные для искажений гармонического тока предполагают, что импеданс источника равен нулю. Если бы это было так, уровень гармоник был бы неактуальным, потому что искажение напряжения не привело бы к тому, что другие потребители не пострадали. В действительности импеданс источника конечен (см. Таблицу 1), и в этих условиях текущее искажение значительно уменьшается.
Конечно, поскольку искаженный ток протекает через импеданс источника, возникает искажение напряжения.
Рисунок 2 - Двенадцатипульсный мост
Контроллеры переменной скорости для двигателей переменного тока используют аналогичные преобразователи для производства постоянного тока, за которым следует инвертор, для производства переменного тока на требуемой частоте для привода. Помимо гармоник, которые ожидаются для преобразователя, производятся другие компоненты тока, которые связаны с рабочей скоростью привода.
Эти компоненты упоминаются, несколько смутно, как межгармонические или нецелые гармоники, но они более схожи с боковыми полосами, обнаруженными в любом процессе модуляции.
Профиль гармонического тока зависит от точной конструкции преобразователя и инвертора. Из-за большого размера дисков этого типа обычно обеспечивается локальная фильтрация, но дизайн фильтров для этих систем часто очень затруднен.
Вернуться в Темы
4. Источники бесперебойного питания (ИБП)
Умный ИБП APC (фото кредит: rainydaymagazine.com)
ИБП доступны во многих различных формах в зависимости от того, как достигается преобразование мощности и как происходит переход от внешнего к внутреннему источнику питания. Большинство блоков до нескольких MVA используют твердотельные инверторы (называемые статическими) для генерации выходной мощности, очень большие единицы используют моторные генераторы (ротационные).
Типичные конфигурации включают:
Он-лайн ИБП //
Он-лайн ИБП преобразует питание сети переменного тока в постоянный ток, чтобы зарядить аккумулятор и инвертировать энергию постоянного тока для производства переменного тока. Нагрузка непрерывно подается от постоянного заряда батареи, независимо от условий подачи.
Поскольку вся поставка преобразуется дважды, этот тип ИБП относительно неэффективен и используется только для небольших устройств.
Off-line UPS //
Независимый ИБП подает нагрузку от сети, когда она доступна. Инвертор / преобразователь обычно неактивен до тех пор, пока не произойдет сбой, когда аккумулятор подаст питание на инвертор, который преобразует питание постоянного тока обратно в переменное напряжение для нагрузки.
Недостатком является то, что время, необходимое для перехода от переменного тока к аккумулятору, может представлять проблему для некоторых чувствительных устройств, таких как компьютеры и серверы.
Линейно-интерактивная технология //
Линейно-интерактивный дизайн сочетает в себе характеристики он-лайн и офф-лайн проектов. Инвертор в этой конструкции выполняет двойную функцию. При нормальной работе аккумулятор полностью заряжен. Когда обнаружен отказ источника питания, инвертор отключается от источника питания, а питание подается от аккумулятора через инвертор к нагрузке.
Подобно автономному ИБП, линейно-интерактивная технология эффективна, поскольку питание обычно подается непосредственно от линии. Тепло и напряжения минимизированы, поскольку линейно-интерактивный ИБП обеспечивает только прирост мощности, компенсируя провисание сетевого напряжения через выходной трансформатор. Как и он-лайн ИБП, он также обеспечивает постоянную мощность.
Однако линейный интерактивный ИБП не обеспечивает полную изоляцию между линией и нагрузкой, предлагаемой онлайновым ИБП.
Входной преобразователь ИБП очень похож на входной преобразователь частоты, описанный выше, и приводит к аналогичным гармоническим искажениям.
Во время нормальной работы автономные и линейные интерактивные конструкции потребляют относительно низкий входной ток, только для поддержания заряда батареи, но в конструкции установки должен учитываться эффект полного тока нагрузки, который будет протекать при восстановлении после отключения электроэнергии.
Как работает ИБП? (ВИДЕО)
Не могу посмотреть это видео? Нажмите здесь, чтобы посмотреть его на Youtube.
Нагрузка на выход ИБП неизменно состоит из ИТ-оборудования и поэтому нелинейна и богата гармониками низкого порядка. Выходной трансформатор ИБП должен быть адекватно рассчитан на то, чтобы справиться с избыточным нагревом.
В трехфазных системах в нейтраль добавляются «тройные N» гармоники (т.е. гармоники, которые нечетные кратные трем). Все нейтральные проводники в ИБП и в остальной части распределительной цепи должны быть адекватно рассчитаны на перенос этих увеличенных токов, которые могут приближаться к двухфазному току.
Желательно использовать фильтр третьей гармоники на выходе ИБП, но часто требуется очень большой и дорогой компонент.
При указании необходимости использования ИБП следует следить за тем, чтобы истинный характер нагрузки понимался и надлежащим образом передавался поставщику.
Вернуться в Темы
5. Магнитные сердечники
Связь между током намагничивания и результирующей плотностью потока в индукторе с магнитным сердечником по своей природе нелинейна. Если текущая форма сигнала является синусоидальной, то есть последовательное сопротивление в цепи велико, тогда магнитное поле будет содержать гармоники.
Это называется принудительной намагниченностью. Если напряжение на катушке является синусоидальным, то есть последовательное сопротивление низкое, плотность потока также будет синусоидальной, но ток будет содержать гармоники - это свободная намагниченность.
Трансформаторы обычно вводят небольшое искажение напряжения, около 1, 5%, в выходной сигнал.
Флуоресцентные светильники с использованием дросселей генерируют некоторые гармоники из-за нелинейного поведения самой лампы (имеет отрицательное динамическое сопротивление) и нелинейного поведения сердечника. Уровни обычно ниже, чем у электронных балластов.
Электрический трансформатор (фото кредит: globalspec.com)
Вернуться в Темы
Ссылка // Руководство по эффективной практике для проектирования электротехники - Ассоциация развития меди (скачать здесь)