«Внешние» (сетевые) проблемы применения частотных преобразователей в приводах

Популяризуемая уже с десяток лет концепция автоматизации в электроэнергетике с использованием электронных преобразователей энергии, в том числе частотных для приводов с регулируемой скоростью - «интеллектуальное управление электроэнергией и процессами» (intelligent power and process control), что можно признать технически корректным только отчасти, ведь:

• «интеллект» программируемых логических контроллеров (ПЛК) самих частотных преобразователей, ПЛК более высокой иерархии, серверов в автоматических (или автоматизированных) системах управления (АСУ), в том числе «цифровых» сетей определяется уровнем программного обеспечения.
• далеко не все программисты могут (или хотят) в полной мере учесть всю специфику энергосистемы, причем конкретного промышленного, непромышленного, инфраструктурного объекта с оборудованием, устройствами, силовыми, информационными сетями («своими» - в балансовой принадлежности Абонента, и «внешними», связанными через распределительную сеть), оказывающими взаимное влияние друг на друга;

Преимущества частотно-регулируемых приводов (Variable Frequency Drives – VFD, о других названиях VFD, применении, достоинствах, недостатках в этом материале) хорошо известны, активно популяризуются при продажах, однако о реальных недостатках и проблемах применения электронных преобразователей сознательно (или по незнанию) умалчивает большинство производителей и торговых компаний.

Некоторые аспекты «внутрисистемных» проблем, т.е. имеющих место в самом VFD, включающем комплектный преобразователь электропривода переменного тока с регулируемой скоростью (ГОСТ IEC 61800-2-2018) и асинхронный двигатель (ГОСТ 31606-2012) - повышение внутренней температуры и потерь двигателя стандартной конфигурации, частичные разряды и разрушение изоляционных материалов, токи утечки подшипников – описаны в предыдущем материале цикла.

Ниже более детально будут рассмотрены «внешние» (сетевые) проблемы, возникающие при использовании частотных преобразователей из-за генерации гармонических искажений, среди которых перегрузка и выход из строя различного электрооборудования (особенно непромышленного), чрезмерный нагрев кабельных линий, нежелательное срабатывание цепей защиты, ошибочная работа компонентов системы управления, включая ПЛК самого преобразователя и более высокой иерархии в АСУ, повреждение чувствительного электронного оборудования, нарушение работы систем связи и др.

Эмиссия гармоник частотными преобразователями приводов с регулируемой скоростью.

Основными факторами, влияющими на генерацию гармоник частотным преобразователем, являются число импульсов входного выпрямительного звена, величина импеданса энергосистемы (источника) в точке общего присоединения (PCC), коэффициент нагрузки VSD. Наиболее часто сегодня используются в качестве выпрямителей 6-ти, 12-ти, 18-ти и 24-химпульсные ШИМ преобразователи, для которых характерна эмиссия высших гармоник порядков, приведенных в таблице ниже.

Из таблицы видно, что в случае 6-тимпульсного выпрямителя генерируются практически все гармоники тока, более дорогие (по возрастанию цены) 12-ти, 18-ти и 24-химпульсные – менее проблемные по гармоническим искажениям, а в целом спектр генерируемых гармоник можно найти по формуле:

h = n*p±1,

где h порядковый номер гармоники, n – натуральный ряд чисел (1, 2, 3 …), p – число импульсов ШИМ преобразователя.

На величину общего коэффициента нелинейных искажений тока THD (I) также влияет импеданс (сопротивление) источника, но здесь важно понимать, что, например, если 18-тиимпульсный выпрямитель комплектного преобразователя даже имеет на входе пассивный фильтр, настроенный на подавление гармоник 17-го и 19-го порядков, то это отнюдь не означает, что в сети выше места подключения не может быть критических (по амплитуде) гармонических искажений более низких частот, а сам преобразователь не добавляет повышения их амплитуды (и защищен от этих искажений). Т.е. таблица (и формула) дает представление только о критических гармониках, генерируемых силовыми выпрямителем при переключении полупроводниковых ключей в силовом блоке, но в действительности спектр эмиссии значительно шире, включает и интер- и сверхгармоники, которые потом «складываются» с гармониками в силовой сети выше места подключения и могут стать реальной проблемой для оборудования, включая и сам VSD.

Исключить такие проблемы можно, но только если еще до проектирования или покупки частотного преобразователя проведен энергетический аудит силовой сети с полным анализом спектра гармонических искажений, включая гармоники, попадающие в силовую сеть конкретного объекта трансмиссией из распределительной сети.

Коррекция коэффициента мощности в сети с частотно-регулируемыми приводами.

Компенсация (коррекция) коэффициента мощности в цепи с частотно-регулируемыми приводами, генерирующими гармонические искажения, должна тщательно планироваться из-за высоких рисков резонансных явлений, которые приводят к перегреву и пробою конденсаторов (модулей, батарей, установок). Высокие амплитуды токов гармоник приводят к увеличению фазного напряжения:

Здесь U_f - действующее фазное напряжение на конденсаторе (сумма гармонических составляющих напряжения), I_ch – среднеквадратичный гармонический ток в батарее, установке, f₁ – фундаментальная частота энергосистемы (50 Гц), C – емкость конденсаторной батареи фазы.

Резонансы между конденсаторами (емкостью) и индуктивностью сети возникают при выполнении следующих условий:

Здесь X_c – емкостное сопротивление на фундаментальной частоте, X_l – индуктивное сопротивление сети на фундаментальной частоте, Q_c – реактивная мощность конденсаторной батареи, S_sc – мощность короткого замыкания в сети (ГОСТ 26522).

Защита конденсаторов, конденсаторных модулей, батарей, установок повышения коэффициента мощности при условии резонансных явлений в силовой сети должна выполняться включением реактора последовательно с емкостным сопротивлением каждой ступени установки («пассивными» фильтрами - L-C-контурами).

Пассивные фильтры высших гармоник в конденсаторных установках согласно IEC 61642 и требований СТО 34.01-21.1-001 ПАО «РОССЕТИ» настраиваются на частоту гармоник:

• 135-142 Гц (при одной конденсаторной установке в сегменте силовой сети) и на частоты 135-142 Гц и 230-240 ГЦ при двух конденсаторных установках (каждая с L-C контуром своей настройки), а также на частоту 230-240 ГЦ на ТП постоянного тока (по требованиям СТО 34.01-21.1-001 ПАО «РОССЕТИ»);
• ниже 5*f₁ при p > 4 % для сетей, где основной гармоникой искажений является 5-я согласно IEC 61642;
• ниже 3*f₁ при p > 11 % для сетей, преимущественно засоряемых 3-й гармоникой согласно IEC 61642;
• 3,78*f₁, т.е. при p = 7 %, которую стандарт считает оптимальной для большинства сетей с нелинейными нагрузками согласно IEC 61642.

В отдельных случаях возможно использование демпфирующих реакторов, которые помогают снизить риски пере- или недо- компенсации, а также наброс токов гармоник на выпрямитель частотного преобразователя привода с регулируемой скоростью.

О способах превентивного устранения электротехнических проблем при использовании частотных преобразователей в приводах с регулируемой скоростью смотреть в следующем материале цикла.