Правильний вибір пасивних і активних фільтрів придушення мережевих гармонік

Феритові мережеві намистинки, які є альтернативою тороідний дроселів, мають менші розміри, забезпечують більший ККД і кращі допуски при використанні в регуляторах базового напруги харчування VCORE.

У статті обговорюються основні аспекти проектування малопотребляющіх систем. Розглядаються питання, пов'язані з режимами очікування, проектуванням підсистеми пам'яті, системними тактовими сигналами і застосуванням годин реального часу, а також організацією харчування від інтерфейсу USB.

відстояти збільшення нелінійних навантажень в мережі елетропітанія, до яких, наприклад, відносяться регульовані приводи, призводить до необхідності контролю якості електроенергії та забезпечення надійності функціонування обладнання. У зв'язку з цим велика частина зусиль розробників зосереджена на проблемі зниження гармонік, які призводять до перевантажень мережі, знижують надійність використання обладнання і призводять до втрат енергії.

Використання для вирішення цього завдання активної і пасивної технології фільтрації гармонік цілком виправдано. Однак складність полягає у виборі і реалізації фільтрів придушення гармонік, від цього залежить успіх в досягненні необхідних характеристик.

Навантаження на мережу, що викликається гармоніками, істотно збільшилася за останні кілька років. Причиною появи гармонійних струмів є нелінійні навантаження, тобто навантаження, які споживають несинусоїдальний ток мережі живлення при подачі синусоїдального напруги. Ці гармонійні струми протікають разом з активними сінусоідельнимі струмами, викликають додаткові втрати в електричних установках і можуть привести до перегріву.

В даний час вживаються заходи щодо зниження рівня гармонік, з тим щоб вирішити цю проблему і задовольнити національним і міжнародним стандартам на кожному рівні мережевої інфраструктури. У цій статті ми цілком зосередимося на обговоренні питання про використання пасивних і активних фільтрів гармонік в низьковольтних установках.

Розглянемо шестіпульсний випрямний міст. Трифазний випрямляч найбільш часто використовується в силових перетворювачах, наприклад в регульованому електроприводі, який широко застосовується протягом багатьох років.
Найбільш поширені топології шестіпульсного випрямляча представлені на малюнку 1. У топології A відсутні магнітні елементи для згладжування струму. Топологія B використовує індуктивність Lac в колі змінного струму зазвичай у вигляді реактора з шихтованим сердечником. У топології C є вбудований дросель Ldc, який часто інтегрується в електроприводи підвищеної потужності. У всіх трьох топологиях електрична мережа, що включає вхідний повний опір, зображена зліва. Розташована праворуч навантаження, позначена на схемі «P = const», споживає постійну активну потужність від DC / AC-перетворювача і приводу, рівну, наприклад, 20 кВт.

Мал. 1. Загальноприйняті топології нелінійного навантаження (шестіпульсние мостові випрямлячі): A - без дроселів; B - з реактором змінного струму Lac; C - з дроселем Ldc в каналі постійного струму

Мал. 2. Вхідний струм i (біла крива) і його активна ia (зелена) і реактивна ib (червона) складові в топологиях A, B і C малюнка 1. Всі зазначені величини є середньоквадратичними значеннями струму

Несинусоїдальні струми (білі криві на малюнку 2), поточні від джерела синусоїдальної напруги, можна розкласти на дві ортогональні складові ia (активна) і ib (реактивна): i = ia + ib.

Активний струм ia (зелена крива) - синусоїдальна складова, яка перебуває в одній фазі з напругою, відображає передачу реальної потужності від джерела до навантаження.
Реактивний струм ib (червона крива) - інший компонент струму, який є різницею між білою і зеленою кривими. Він відповідає за перенесення реактивної потужності між навантаженням і джерелом. Спектр реактивного струму складається з гармонік і реактивних компонентів основної частоти. Однак реактивні компоненти сигналу малюнка 2 нехтує малі. Реактивний струм ib в основному складається з 5-й, 7-й, 11-й, 13-й, 17-й, 19-й, 23-й і 25-й гармонік, де складові з більш високою частотою (менш 25- й гармоніки) теж дуже малі.

Реактивний струм призводить до додаткових втрат в мережах електроживлення та викликає падіння несинусоидального напруги на імепедансе лінії, що в результаті викликає спотворення напруги і погіршує якість електроенергії. Таким чином, реактивний струм негативно позначається на роботі мережі і його необхідно по можливості усунути.

Поділ несинусоидального струму (що надходить від джерела синусоїдальної напруги) на активну і реактивну складові вперше було запропоновано С. Фрайз (S. Fryze) в 1932 р

Мал. 3. Гармонійний спектр мережевого струму i в топологиях А, B і C (Harmonics [%] - гармоніки,%; Harmonic order - порядок гармоніки; Harmonics of I1 - гармоніки струму; 5th - 5-я; 7th - 7-я; 11th - 11-я; 13th - 13-я)

На малюнку 3 крім гармонік (блакитні смуги) представлені граничні за стандартом EN61000-3-12 (білі поля) і реальні значення сумарного коефіцієнта гармонік (THD), а також окремих гармонік (5-й, 7-й, 11-й, 13 -й) і частково зваженого коефіцієнта гармонійних спотворень (partially weighted harmonic distortion - PWHD). Значення на червоному тлі вказують на невідповідність, а на зеленому тлі - на відповідність стандарту. На правому краю малюнка видно повзунок, який використовується для вибору параметра Rsce (в нашому прикладі Rsce = 120).
Середньоквадратичні значення струмів i, ia, ib, позначені як I, Ia, Ib, пов'язані один з одним за формулою I2 = Ia2 + Ib2.

Відомо, що реактивний струм Ib може приймати широкий ряд значень в залежності від використовуваної топології. У нашому прикладі середньоквадратичні значення струму рівні 45,5 А, 17,4 A і 13,9 A (див. Рис. 2). Реактивний струм має значний вплив на вхідний струм I. У цьому прикладі середньоквадратичне значення струму електромережі змінюється в залежності від топології (при тому ж значенні вихідної потужності) в діапазоні 53,4. 31,1 А. Тільки активний струм Ia має приблизно ту ж величину (28,0 і 27,8 А відповідно).

Зі сказаного вище можна зробити висновок про те, що середньоквадратична величина активного струму Ia (пропорційна активної потужності, споживаної від джерела напруги) може в разі нелінійного навантаження, наприклад шестіпульсних випрямлячів, бути значно нижче вхідного струму I. Іншими словами, неможливо визначити активний струм Ia , якщо відомо тільки значення вхідного струму. Найбільш простий спосіб отримати це значення полягає в розрахунку активної потужності, споживаної від мережі, за формулою:

де P - активна потужність, яка надходить від трифазної мережі електроживлення; Up-n - середньоквадратичне значення напруги фаза-нуль.
Значення активної потужності P обчислюється за формулою

де PM - активна потужність, споживана двигуном; η - ККД обертального електроприводу (типове значення - 0,96).

Ідеальний фільтр придушення гармонік - це пристрій, який здатний повністю усунути реактивну складову струму ib за рахунок видалення гармонік і корекції фази основної гармоніки струму. В результаті цей тип фільтра перетворює несинусоїдальний мережевий струм в синусоїдальний струм і, таким чином, нелінійну навантаження - в лінійну, що споживає лише активну складову ia. Якщо додатково припустити, що фільтр працює без втрат, активна потужність від мережі не зміниться від його присутності, а активна складова ia не збільшиться.

Багато виробників виготовляють фільтри, до числа яких відносяться фільтри ECOsine компанії Schaffner. Вони були недавно запропоновані для додатків з вхідним шестіпульсним випрямлячем і є сучасним рішенням, яке за своїми характеристиками наближається до ідеального фільтру для придушення гармонік. Гармонійні струми в цих фільтрах знижуються до рівня загальних гармонійних спотворень струму (total harmonic current distortion - THID) 3,5-5,0%, тобто майже повністю усуваються. А ККД фільтрів ECOsine величиною 98,5-99,4% (в залежності від моделі) означає, що вони майже не вносять втрат.

Фільтри ECOsine включаються послідовно між мережею електроживлення і входом нелінійного навантаження, незалежно від використовуваної топології випрямляча.

Мал. 4. Мережевий ток i (біла крива) і його активна ia (зелена) і реактивна ib (червона) складові в топологиях A, B і C з вхідним фільтром ECOsine

На малюнку 4 показана форма сигналу вхідного струму з однією фазою при використанні фільтрів ECOsine для всіх трьох топологій випрямляча.

При використанні на вході шестіпульсного випрямляча пасивного послідовного фільтра для придушення гармонік, наприклад ECOsine, виходять такі важливі результати.
1. Як видно з малюнка 4, в сигналах практично відсутня реактивна складова струму ib (червона крива). Середньоквадратичні значення реактивного струму з фільтром і без фільтра наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Середньоквадратичні значення реактивного струму

Отримані висновки вказують на очевидний шлях вирішення проблеми - для правильного вибору параметрів фільтра придушення гармонік необхідно враховувати параметри нелінійного навантаження без цього фільтру. Порівняння даних наступних двох таблиць (див. Табл. 4 і 5) показує, що мережевий струм нелінійного навантаження не годиться при виборі, наприклад, фільтра придушення гармонік ECOsine від компанії Schaffner, тому що його параметри змінюються в залежності від топології.

Насправді тільки значення активного струму Ia і активної потужності P однакові у всіх трьох топологиях, що робить їх придатними при виборі фільтра. На жаль, зазвичай в технічних характеристиках нелінійних навантажень (наприклад, електроприводів) не вказується активний струм Ia (який насправді є вхідним номінальним струмом фільтра придушення гармонік). Єдина вказується величина, придатна без будь-яких обмежень при виборі пасивного фільтра придушення гармонік, це активна потужність P нелінійного навантаження.

Щоб спростити розробнику вибір фільтра для регульованого приводу, виробники вказують як номінальну потужність електроприводу, так і величину вхідних струмів фільтра.

На відміну від пасивних фільтрів придушення гармонік, активні фільтри включаються паралельно мережі електроживлення (шунтуючі фільтри). Зауважимо, що на малюнку 5 представлені тільки топології В і С. Топологія А не рекомендується, тому що активні шунтуючі фільтри вимагають використання магнітних елементів в навантаженні з економічних міркувань, що стає очевидним при вивченні малюнка 2. За відсутності магнітних елементів (топологія A) необхідний коригувальний ток активного фільтра був би настільки високим, що розміри цього фільтра значно б зросли.

Якщо для спрощення ідеалі шунтирующий фільтр в топологиях В і С малюнка 5, то неважко зрозуміти, що
- мережевий струм відповідає ia малюнка 2 (B і C);
- коригувальний ток цього фільтра відповідає реактивному струму ib малюнка 2 (B і C);
- вхідний струм випрямляча відповідає вхідному струмі i малюнка 2 (B і C).
Ці висновки вірні, за умови що мережевий імпеданс Zline незначний у порівнянні з імпеданс Lac (топологія B) і Ldc (топологія C). У нашому прикладі ця умова повністю дотримано.
При виборі активних фільтрів придушення гармонік вирішується завдання, схожа з вибором пасивного варіанту цього пристрою. Типорозмір фільтра визначається виходячи з активних і реактивних струмів і потужностей випрямляча без фільтра.

У таблиці 6 перераховані основні параметри топологій В і С (без фільтра). Єдиним дійсно корисним показником є ​​реактивна складова Ib, яка описує найбільш важливий параметр активного фільтра - коригувальний струм.

На відміну від пасивних фільтрів придушення гармонік, типорозміри активного фільтра - різні в топологиях В і С. Необхідний коригувальний ток для першої з них становить 17,4 ARMS, а для другої - всього лише 13,9 ARMS. Для повноти картини слід нагадати, що цей коригувальний ток в топології А без магнітних елементів становить 45,5 ARMS. На жаль, величина реактивного струму, як правило, не вказується в технічних характеристиках нелінійного навантаження.
Розрахунок цієї величини відбувається за наступною формулою:

,

де I - середньоквадратичне значення струму мережі нелінійного навантаження без фільтра придушення гармонік; P - активна потужність, споживана навантаженням; Up-n - напруга фаза-нуль.
Всі ці значення зазвичай вказуються в технічній характеристиці нелінійного навантаження. У нашому прикладі Ib в топологиях B і C, відповідно, рівні

;

.

Отримані результати точно узгоджуються зі значеннями, наведеними на малюнку 2 і розрахованими з використанням ШПФ.

Правильний вибір пасивних і активних фільтрів придушення гармонік може утруднити через низку невідомих параметрів нелінійного навантаження. Однак вибір правильного розміру фільтра є ключовою умовою досягнення оптимального співвідношення між вартістю і якістю, тобто необхідним зниженням гармонік струму при мінімальних зусиллях щодо забезпечення фільтрації. З огляду на, що деякі периферійні пристрої електроприводу, наприклад фільтри електромагнітних завад, мережеві реактори або вихідні фільтри розробляються і вибираються на основі мережевого струму I, дуже часто вважається, що цей параметр годиться і в разі з фільтрами придушення гармонік. Однак правильна процедура вибору таких фільтрів полягає в обліку активної потужності навантаження P, а при виборі активного фільтра придушення гармонік слід виходити з реактивною складовою струму Ib.