Автоматическая система подавления гармоник тока в локальных сетях

Основными источниками гармоник в сетях питания большинства непроизводственных подразделений служит оргтехника – компьютеры, мониторы, принтеры, сканеры, факсы и т.д. В таких подразделениях (банках, офисах крупных фирм, расчетных и справочных центрах, лабораториях учебных заведений) значительный вклад в генерацию гармоник вносят также приборы на основе ртутных и газоразрядных ламп и современные системы освещения со светодиодными осветительными приборами, внедряемые в соответствии с Федеральным законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ. Источники бесперебойного питания (ИБП), обеспечивающие электропитание при полном отключении промышленной сети, и статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, необходимые в ряде технологических процессов, также искажают картину токов и напряжений в электросетях.

Суммарный эффект нелинейных и импульсных нагрузок в виде перечисленных выше устройств, выражается в появлении гармоник тока, создающих, в свою очередь, искажения на внутреннем сопротивлении источника напряжения. Поэтому именно в локальных сетях с относительно невысокими токами короткого замыкания искажения тока оказываются наиболее значимым источником гармонических искажений сетевого напряжения, воздействующих на другое оборудование. Указанные устройства, являясь генераторами высших гармоник тока в системе электропитания, в зависимости от мест своего подключения и процентного соотношения с линейными нагрузками будут тем или иным образом влиять на другие нагрузки. Гармоники тока могут вызывать перегрев подводящих проводов, нарушения синхронизации в других устройствах, получающих электропитание от того же источника, сбои в коммуникационных сетях и сетях передачи данных, повреждении аппаратуры и прочие нежелательные эффекты.. Увеличение общего действующего значения тока при наличии высших гармонических составляющих в сети приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов, а в случае автономных электроэнергетических установок – к завышению требуемой мощности.

Предъявляемые в настоящее время требования к качеству локальных систем электроснабжения означают, что они должны обеспечивать высокую степень эксплуатационной надежности, т.е. справляться с широким спектром проблем, начиная от высокочастотных шумов, импульсных помех, провалов, колебаний, выбросов напряжения и т.д. При этом одну из важнейших проблем, особенно в локальных сетях производственных, управляющих и компьютерных центров, представляют гармонические искажения напряжения, вызванные соответствующими искажениями токов потребления нелинейных нагрузок.

Краткий перечень проблем, связанных с упомянутыми искажениями:

• -    перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников вследствие их перегрузки токами гармоник;

• -    искажение синусоидальности питающего напряжения;

• -    дополнительные потери в трансформаторах питания аппаратуры;

• -    сокращение срока службы электрооборудования из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции;

• -    необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств;

• -    помехи в сетях телекоммуникаций при близком расположении силовых и телекоммуникационных кабелей.

Проблема подавления с гармонических искажений в сетях электроснабжения пока не нашла однозначного решения. Существует два основных подхода, имеющих свои достоинства и недостатки. Первый и самый распространенный исходит из того, что источниками токов высших гармоник являются только мощные промышленные установки с нелинейными свойствами.

Соответственно, методы подавления или компенсации гармоник, применяемые в настоящее время, ориентированы, в основном, на промышленные трехфазные сети, питающие мощные и высоковольтные промышленные нагрузки [1]. Поэтому для трехфазных нагрузок предложено множество систем и устройств компенсации гармоник (УКГ) [2-4].

Второй подход обусловлен описанной выше эволюцией потребителей малой мощности. Уже упомянутое выше расширение круга хотя и маломощных, но многочисленных нелинейных нагрузок диктует необходимость разработки систем фильтрации для однофазных установок малой мощности (от 1 до 5 кВт). При этом система должна удовлетворять требованиям высокой эффективности фильтрации, простоты монтажа, компактности, экономичности. Полезным в данном случае был бы комплекс систем, состоящий из каскада фильтров для небольших однофазных потребителей и устройства компенсации установленном в узле подключения объекта. Такой децентрализованный подход к «оздоровлению» локальных энергосистем позволит, с одной стороны, исключить факторы риска, возникающие вследствие протекания несинусоидальных токов, а с другой – избежать масштабных строительных работ по созданию наружных площадок для типовых мощных установок фильтрации гармоник [3] .

Компактные фильтры гармоник для потребителей, подключенных к однофазной сети 220В, до сих пор остаются в стадии разработки, так как внимание данной проблеме начинают уделять только после возникновения аварийных, либо предельных токовых режимов приводящих к отказам оборудования. Здесь, конечно, следует упомянуть выпускаемые рядом зарубежных фирм микросхемы для автоматического управления подавлением гармоник напряжения [5]. Их работа основана на анализе формы напряжения сети и подаче импульсных добавок из запасенной ранее энергии в рассчитанные моменты времени внутри периода с целью приближения к синусоидальности. Сравнительный анализ показывает, что при малых полных мощностях установки системы фильтрации на основе активных и пассивных фильтров, имеют сравнимые коэффициенты фильтрации гармонических искажений. Акцент на пассивные фильтры целесообразен ввиду их простоты и распространенности компонентов для их изготовления. Кроме того, это дает возможность применить крайне простую систему управления коммутацией.

Применение модифицированных активных и гибридных фильтров для подобных сетей также является возможным. Однако попытки их внедрения сталкиваются с трудностями, обусловленными двумя основными факторами: сложностью настройки системы управления активным фильтром и высокой стоимостью.

Более целесообразным, однако, представляется анализировать содержание гармоник не в напряжении, а в токе, где они представлены значительно интенсивнее, вследствие чего искажения тока можно гораздо проще зарегистрировать и оценить по величине. Конечно, подключиться к сети для измерения напряжения проще на первый взгляд, чем для измерения тока, но в обоих случаях потребуется гальваническая развязка. Кроме того, существуют датчики тока, не требующие разрыва цепи.

Среди множества способов фильтрации, наиболее привлекательным в силу конструктивной простоты является применение пассивных LC фильтров, в виде коммутируемых последовательных резонансных контуров. Ограниченный меньший коэффициент фильтрации пассивного фильтра в данном конкретном случае не является существенным недостатком т.к. при сравнительно малой мощности нагрузки он является более чем достаточным для достижения стандартного THD согласно рекомендации IEC-61000-2-2 (см. табл.1).

Таблица 1.

Применение коммутируемых фильтров - подавителей гармоник позволит избежать роста реактивной составляющей мощности самой системы из-за влияния постоянно подключенных фильтров.

С учетом предыдущих соображений описываемая ниже система автоматического подавления гармоник построена на способе оценки гармонического состава тока с последующим подключением резонансных фильтров - подавителей, настроенных на частоты соответствующих гармоник.

Для реализации поставленной задачи система разделена на три подсистемы (см. рис. 1):

–анализатор гармонического состава тока, содержащий общий датчик тока и фильтры-выделители отдельных гармоник;

-измерители уровня отдельных гармоник и коммутаторы;

-набор коммутируемых пассивных фильтров - подавителей.

Выходы фильтров - выделителей, на которых присутствуют сигналы соответствующих гармоник, соединяются с первыми входами компараторов. На вторые входы компараторов поданы напряжения, определяющие уровни срабатывания, то - есть, пороговые уровни, по достижении которых включаются фильтры подавления гармоник.

Предлагаемая система подавления гармоник функционирует следующим образом. Ток сети, протекающий через датчик, обеспечивающий гальваническую развязку, преобразуется в напряжение, которое поступает на входы фильтров-выделителей. Напряжения отдельных гармоник с выходов фильтров- выделителей выпрямляются, сглаживаются и поступают на входы компараторов. Если уровень гармоники достаточен для срабатывания компаратора, его выходной сигнал управляющее включается реле, реле включают соответствующие силовые фильтры.

Рис. 1. Схема автоматической системы подавления гармоник тока в локальных электросетях

Такая компоновка позволит решить проблему совершения системой бесполезной работы в режиме отсутствия гармонических искажений в сети, увеличит рабочий ресурс фильтров, снизит индуктивную и емкостную нагрузку на сеть. Кроме того, появляется возможность строить систему по модульному принципу, то - есть использовать минимальное число каналов фильтрации, достаточное для снижения коэффициента нелинейных искажений до допустимых значений (см. табл.1). Учитывая быстрое снижение уровня гармоник с возрастанием их номера, в ряде случаев можно ограничиться двумя каналами.

Следует отметить, что стремление добиться идеальной синусоидальной формы тока и напряжения на практике оказывается не реализуемым, и ведет лишь к большим затратам, не давая существенного технического эффекта.