Ежовкин И.И.
ГАРМОНИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОСЕТЯХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЧРП И МЕТОДЫ ИХ МИНИМИЗАЦИИ *
Аннотация:
в статье рассматривается проблема гармонических искажений, возникающих при работе частотно-регулируемых приводов (ЧРП), и их влияние на качество электроэнергии. Анализируются основные причины появления высших гармоник, их последствия для оборудования и электросетей, а также методы минимизации негативного воздействия. Приводятся практические рекомендации по выбору фильтрующих устройств и организации подключения нелинейных нагрузок.
Ключевые слова:
частотно-регулируемый привод, гармонические искажения, качество электроэнергии, пассивные фильтры, активные фильтры
Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) широко применяются в промышленности для повышения энергоэффективности технологических процессов. Однако их использование сопровождается генерацией высших гармоник, которые искажают форму кривых напряжения и тока в электросети. Это приводит к дополнительным потерям энергии, перегреву оборудования и снижению его срока службы. В статье исследуются причины возникновения гармоник, их влияние на работу ЧРП и методы компенсации.ЧРП, как и другие устройства с нелинейными характеристиками (например, преобразователи частоты), потребляют из сети ток несинусоидальной формы. Это связано с импульсным характером работы полупроводниковых элементов, которые коммутируют напряжение с высокой частотой. Основные гармоники, генерируемые ЧРП, имеют порядок 5, 7, 11, 13 и выше. Их амплитуда зависит от типа преобразователя, схемы управления и параметров сети [1, 2].Гармонические искажения вызывают ряд негативных эффектов, таких, как:- перегрев трансформаторов, кабелей и асинхронных двигателей из-за увеличения токов высших гармоник,- преждевременное старение и износ изоляции, пробой конденсаторных установок,- ложные срабатывания устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики,- ощутимое увеличение потерь реактивной мощности, снижение коэффициента мощности.Пример из практики горнодобывающих предприятий показывает, что гармоники 17-го и 19-го порядков могут вызывать отказы конденсаторов сетевых фильтров в преобразователях частоты, что приводит к перенапряжению в звене постоянного тока и аварийным остановкам оборудования [4].Таким образом, становится актуальной направленность исследований, нацеленная на минимизацию влияния гармонических составляющих на работу рассматриваемого оборудования.Различают превентивные и корректирующие меры. К первой группе можно отнести использование многопульсных преобразователей (например, 12-пульсных вместо 6-пульсных), которые компенсируют гармоники 5-го и 7-го порядков. Также реализуют подключение нелинейных нагрузок к отдельным шинам или системам с высокой мощностью короткого замыкания. К общим превентивным мерам можно отнести мероприятия по соблюдению требований ГОСТ 32144-2013 по качеству электроэнергии.К корректирующим аппаратным мерам относится использование активных и пассивных фильтров. Пассивные фильтры настраиваются на частоты конкретных гармоник (например, 5-й или 7-й) и обеспечивают их локально направленное подавление. К достоинствам этого метода можно отнести простоту конструкции (основные компоненты - катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы), возможность компенсации реактивной мощности, низкую стоимость в сравнении с активными фильтрами, особенно для мощных промышленных установок, а также высокую эффективность работы для фиксированных гармоник, на которые настроен резонансный контур. Среди недостатков выделяют снижение эффективности со временем, риск перегрузки от неучтённых гармоник, громоздкость, а также узкую полосу подавления соответственно.Работа активных фильтров заключается в генерации гармоник, противоположных по фазе существующим, что позволяет компенсировать искажения в реальном времени. Преимущества: широкий диапазон подавления, высокая точность, гибкость (могут одновременно устранять гармоники, балансировать фазы и корректировать коэффициент мощности), возможность подавления изменяющихся гармоник [6], компактность, отсутствие паразитных резонансных контуров. Среди недостатков – высокая стоимость ввиду использования IGBT-транзисторов и цифровых процессоров, сложность настройки и эксплуатационного обслуживания, ограниченная мощность. Последний недостаток на мощных промышленных установках, по типу горнодобывающего оборудования, приводит к необходимости внедрения гибридных решений.Кроме вышеперечисленных методов, рациональное распределение нелинейных нагрузок в электросети позволяет существенно снизить уровень гармонических искажений без применения дополнительных фильтрующих устройств. Ключевые подходы к оптимизации включают раздельное подключение нелинейных нагрузок, использование трансформаторов с различными схемами соединения обмоток, оптимизация топологии сети. Подключение ЧРП и другого оборудования с нелинейными характеристиками к разным системам шин снижает взаимное влияние гармоник на 30-40% [3]. Так, на горнодобывающих предприятиях практикуется раздельное питание главных вентиляторных установок и подъемных машин, что уменьшает суммарный коэффициент гармонических искажений с 8-12% до 4-6% [4]. Подключение мощных ЧРП непосредственно к главным распределительным шинам (а не через длинные кабельные линии) снижает импеданс сети и уменьшает влияние гармоник на другие потребители. Также необходим контроль суммарной мощности нелинейных нагрузок, при превышении доли нелинейных нагрузок более 40% от общей мощности системы требуется обязательное применение дополнительных мер компенсации гармоник [3].Эти меры особенно эффективны в сочетании с фильтрующими устройствами. Например, при правильном распределении нагрузок пассивные фильтры могут работать в 1,5-2 раза эффективнее за счет уменьшения спектра компенсируемых гармоник [3]. Активные фильтры в таких условиях требуют меньшей мощности и, соответственно, меньших капитальных затрат [4].Исходя из вышесказанного, гармонические искажения, вызванные работой ЧРП, являются серьёзной проблемой для промышленных электросетей. Для их минимизации необходимо комбинировать превентивные и корректирующие методы, такие как применение многопульсных преобразователей, пассивных или активных фильтров, а также оптимизацию схем подключения. Особое внимание следует уделять проектированию электросетей на этапе внедрения ЧРП – правильное распределение нелинейных нагрузок, выбор трансформаторов с подходящей схемой соединения обмоток и минимизация длины питающих линий позволяют значительно снизить уровень гармоник без существенных капитальных затрат. Дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку более эффективных алгоритмов управления активными фильтрами и анализ их экономической целесообразности.
Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 1
Ссылка для цитирования:
Ежовкин И.И. ГАРМОНИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОСЕТЯХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЧРП И МЕТОДЫ ИХ МИНИМИЗАЦИИ // Вестник науки №6 (87) том 1. С. 1680 - 1684. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23781 (дата обращения: 17.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+