Обзор и результаты исследований гармонического состава тока, потребляемого преобразователями частоты малой мощности, а также способов и устройств для снижения их негативного влияния на системы электроснабжения

В качестве объекта для проведения экспериментальных исследований был выбран преобразователь частоты марки ACS150. На основе выполненных измерений сделан вывод, что в спектральном составе силы тока, потребляемого преобразователем частоты, помимо токов основной гармонической составляющей преобладают токи 5, 7, 11, 13 и 17-й гармонических составляющих, т.е. нечетные гармонические составляющие некратные трем. Токи 3, 9 и 15-й гармонических составляющих также присутствуют в спектральном составе, но их величина значительно меньше. Также, исходя из полученных данных, можно утверждать, что при уменьшении частоты управления скоростью вращения двигателя и величины загрузки преобразователя частоты увеличивается количество пульсаций на осциллограмме силы тока, как результат наблюдаются увеличение значений высших гармонических составляющих и рост значения показателя суммарных гармонических составляющих силы тока. Основной вклад в увеличение показателя суммарных гармонических составляющих силы тока при уменьшении величины загрузки преобразователя частоты и выходной частоты управления скоростью вращения двигателя вносят нечетные гармонические составляющие силы тока кратные трем, в то же время гармонические составляющие силы тока некратные трем, а именно 5-го и 7-го порядка, не подвержены изменению. Приведен краткий обзор технических решений, направленных на повышение электромагнитной совместимости асинхронного частотно-регулируемого привода. В частности, отмечены такие решения, как повышение количества полупроводниковых ключей, используемых в инверторах, совершенствование режимов управления, применение специальных разделительных трансформаторов, пассивных (резонансных) и активных фильтров.

1. Ланцов В., Эраносян С. Интеллектуальная силовая электроника: от настоящего к будущему // Силовая электроника. 2009. № 22. С. 6-12.

2. Колпаков А. Перспективы развития электропривода // Силовая электроника. 2004. № 1. С. 46-48.

3. Евсеев Ю.А., Ковалев В.Д., Сурма А.М. Состояние и перспективы развития Российской полупроводниковой элементной базы силовой электроники // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2005. № 5. С. 2-14.

4. Лазарев Г. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода // Новости электротехники. 2005. № 2 (32).

5. Das B., Fancon M., Kasari P.R., Chakrabarti A. Comparison of different PWM-VSI fed 3 Φ im based on modulation index and switching frequency // International conference on electrical, electronics, signals, communication and optimization (EESCO). 2015.

6. Kuppapillai R., Subramanian P., Vetrivel D. Single phase to three phase conversion with suppressed input current distortions for induction motor drive // IEEE International conference on technological advancements in power and energy: exploring energy solutions for an intelligent power grid (TAP Energy). 2018. pp. 1-4.

7. Козярук А.Е. Эффективный промышленный электропривод сегодня // Сборник трудов IX международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП2016. 2016. С. 56-58.

8. Arya K., Mini V.P., Mayadevi N., Harikumar R. Power quality enhancement of VSI fed induction motor drive // International CET conference on control, communication, and computing. 2018. pp. 28-32.

9. Багаев А.А. Современное состояние и перспективы развития электропривода // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2003. № 1 (9). С. 57-60.

10. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств // Силовая электроника. 2009. № 23. С. 4-7.

11. Макаров В.Г. Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 6. С. 109-120.

12. Николаев А.А., Корнилов Г.П., Храмшин Т.Р., Никифоров Г., Муталлапова Ф.Ф. Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости современных электроприводов в системе электроснабжения металлургического предприятия // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. № 4. Т. 14. С. 96-105.

13. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 3 // Силовая электроника. 2010. № 25. С. 8-14.

14. Флоренцев С. Современное состояние и прогноз развития приборов силовой электроники // Современные технологии автоматизации. 2004. №2. С. 20-30.

15. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 2 // Силовая электроника. 2010. № 24. С. 6-11.

16. Ланцов В., Эраносян С. Интеллектуальная силовая электроника: вчера, сегодня, завтра // Силовая электроника. 2006. № 1. С. 4-7.

17. Башкиров В. Интеллектуальные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности // Силовая электроника. 2005. № 4. С. 30-35.

18. Чаплыгин Е.Е. Анализ искажений выходного напряжения и сетевого тока матричного преобразователя частоты // Электричество. 2007. № 11. С. 25-38.

19. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 4.3 // Силовая электроника. 2010. № 28. С. 12-17.

20. Makhubele J.W., Ogudo K.A. Analysis on modulation techniques of an AC drive with respect to harmonic content and efficiency // International conference on intelligent and innovative computing applications (ICONIC). 2019.

21. Salsabil I.T., Ahmed M.R. Design and Implementation of a single phase symmetrical hybrid sinusoidal pulse width modulated inverter for improve performance // International conference on advancement in electrical and electronic engineering (ICAEEE). 2018.

22. Hoque M.R., Islam R., Islam K., Alam M.J. Performance analysis of AC-DC converter based self excited DC shunt motor using single tuned passive filter // 10-th International conference on electrical and computer engineering (ICECE). 2018. pp. 325-328.

23. Беляев В.Л., Радимов С.Н. Гармонический состав сетевого тока частотных электроприводов с широтно-импульсной модуляцией // Електромеханiчнi I енергозберiгаючi системи. 2012. № 3 (19). С. 469-471.

24. Panchbhai A., Prajapati N., Parmar S. Harmonic mitigation in AC motor using multi-pulse rectifier // IEEE International WIE conference on electrical and computer engineering. 2017. pp. 1-4.

25. Ayala M., Gonzalez O., Rodas J., Gregor R., Rivera M. Predictive control at fixed switching frequency for a dual three-phase induction machine with Kalman filter-based rotor estimator // IEEE International conference on automatic (ICA-ACCA).2016.

26. Хажиев Р.А. Исследование гармонического состава потребляемого тока светодиодных драйверов с использованием программируемого источника напряжения GW INSTEK APS-71102 //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2013. № 4. Т. 13. С. 139-144.

27. Лещинская Т.Б., Таранов М.М. Исследование токов эмиссии бытовых электроприемников // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина». 2009. № 2. С. 54-61.

28. Авербух М.А., Лескина Я.В., Коржов Д.Н., Чередников А.В. Анализ электродинамических процессов и электромагнитной совместимости частотного электропривода в пакете Matlab 7.12 // Известия вузов. Электромеханика.2014. № 4. С. 57-62.

29. Костинский С.С. Обзор и результаты исследований гармонического состава тока осветительных электроприемников // Промышленная энергетика. 2018. № 9. С. 25-32.

30. Костинский С.С. Обзор и результаты исследований гармонического состава тока бытовых электроприемников, а также способов и устройств для снижения их негативного влияния на системы электроснабжения // Промышленная энергетика. 2018. № 8. С. 29-39.

31. Ковалев А.Ю., Кузнецов Е.М., Аникин В.В. Экспериментальные исследования гармонического состава тока и напряжения на шинах станций управления установками электроцентробежных насосов // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность. 2015. № 1. С. 203-208.

32. Плащанский Л.А., Зарипов Ш.У. Влияние высших гармоник на состояние электрических сетей // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2010. № 2. С. 61-66.

33. Ольховский В.Я., Мятеж Т.В., Наяксов С.Ю. Исследование воздействия высших гармоник мелких нелинейных потребителей на работу сети до 1000 В // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2016. № 1 (30). С. 84-97.

34. Авербух М.А., Лимаров Д.С. Обеспечение электромагнитной совместимости крановых частотных электроприводов с электрическими сетями промышленных предприятий: монография – Белгород: Изд-во БГТУ. 2016. 185 с.

35. Ковалева Н.А., Денчик Ю.М., Аникин В.В. Источники гармоник тока и напряжения в электротехническом комплексе добычи нефти из глубинных скважин // Омский научный вестник. 2015. № 137. С. 151-154.

36. Prasad S.V.S., Singh R.R., Somasekhar V.T., et al. Performance evaluation of an induction motor drive with direct torque control for open-end winding and cascaded three-level topologies // International conference on computer applications in electrical engineering - recent advances. 2018. pp. 1-6.

37. Narsale D., Dhamse S.S. A review on different multilevel topology used in AC drives to mitigates the total harmonic distortion // IEEE International conference on computation of power, energy, information and communication (ICCPEIC). 2018. pp. 230-236.

38. Abdollahi R. Harmonic reduction using a novel multipulse AC-DC converter // World journal of engineering. 2018. V. 15. Is. 4. pp. 520-530.

39. Барутсков И.Б., Вдовенко С.А., Цыганков Е.В. Гармонические искажения при работе преобразователей частоты // Главный энергетик. 2011. № 6. С. 5-15.

40. Gupta C., Varshney A., Verma N., et al. THD analysis of eleven level cascaded H-bridge multilevel inverter with different types of load using in drives applications // 2-nd IEEE International conference on advances in computing and communication engineering (ICACCE). 2015. pp. 355-359.

41. Swamy M.M. An electronically isolated 12-pulse autotransformer rectification scheme to improve input power factor and lower harmonic distortion in variable-frequency drives // IEEE Transactions on industry applications. 2015. V. 51 (5). pp. 3986-3994.

42. Singh B., Gairola S., Chandra A., et al. Zigzag connected autotransformer based controlled ACDC converter for pulse multiplication // IEEE International symposium on industrial electronics. 2007. pp. 889-894.

43. Aarniovuori L., Kärkkäinen H., Niemelä M., et al. PWM power distribution and switching frequency analysis in motor drives // Industrial Electronics Conference (IECON). 2016. pp. 4356-4361.

44. Sayed M.A., Takeshita T., Iqbal A. New PWM technique for three-to-five phase matrix converter with high efficiency and low THD // IEEE Applied power electronics conference and exposition (APEC). - 2015. pp. 3217-3224.

45. Boonseng C., Rapeepornpat B., Suksawat D., et al. Design and installation of passive power filter for grid-connected solar rooftop applications at industrial plants // Grand international conference and exposition Asia. 2019.pp. 724-729.

46. Chaudhari P.S., Patil S.L. Reduction in harmonics of BLDC motor drive using controlled LC filter // Electric Power Components and Systems. 2018. V. 46. Is. 14-15. pp. 1686-1703.

47. Balasubramaniam S., Gunasekaran S., Ramasamy S., et al. Design and implementation of solar power fed permanent magnet synchronous motor with improved DC-DC converter and power quality improvement using shunt active filter for reducing vibration in drive for industrial applications // Journal of vibroengineering. 2019 V. 21. Is. 2. pp. 507-525.