Sóng hài do biến tần

Biến tần là tải nạn nhân
Mặc dù biến tần thường được mô tả là thủ phạm trong kịch bản PQ, có nhiều cách để chúng có thể trở thành nạn nhân tải. 
Tụ điện chuyển đổi transients
Tốc độ cao (tương đối thấp tần số) transients là đặc tính của chuyển đổi tụ điện tiện ích có thể đi qua biến áp dịch vụ, feeders, và chuyển đổi front-end của biến tần trực tiếp đến bus liên kết dc, nơi nó thường sẽ gây ra dc liên kết overvoltage chuyến đi. Các điốt đầu vào cũng có thể bị thổi bay bởi các transients này. 
Biến dạng điện áp
Nếu biến dạng điện áp cao hiển thị như là quá phẳng, nó sẽ ngăn chặn tụ điện liên kết dc từ sạc đầy đủ và sẽ làm giảm khả năng đi qua của biến tần. Vì vậy, một sag điện áp mà không bình thường sẽ ảnh hưởng đến một biến tần sẽ làm cho biến tần để đi trên điện áp thấp. 
Việc nối đất không đúng sẽ ảnh hưởng đến các mạch điều khiển bên trong của biến tần, với kết quả không thể dự đoán được. 
Biến tần là tải trọng Culprit
Biến tần có thể chắc chắn là "tải trọng thủ phạm" và có tác động lớn đến hệ thống PQ. Nhưng trước khi chúng ta nói về các vấn đề, chúng ta hãy đặt một từ tốt cho những tác động tích cực của biến tần trên PQ. Trước hết, chúng cung cấp khả năng khởi động mềm tích hợp. Điều này có nghĩa là sẽ không có dòng khởi động và không có hiệu ứng sag điện áp trên phần còn lại của hệ thống. Thứ hai, nếu biến tần là loại PWM, với đầu cuối của bộ chuyển đổi diode, thì Hệ số công suất biến đổi cao (thường là> 95% ở tải trọng định mức) và ít nhiều liên tục trong phạm vi. Điều này có nghĩa là biến tần có thể giảm sử dụng năng lượng và chính xác cho hệ số công suất dịch chuyển cùng một lúc. Đó là một điều tốt, bởi vì biến tần và hệ số công suất tụ điện chỉnh không trộn lẫn. Mũ dễ bị tổn thương với dòng điện hài tần số cao hơn được tạo ra bởi biến tần, vì trở kháng của chúng giảm khi tần số tăng. 
Loại biến tần có tác động lớn đến các triệu chứng PQ, do các thiết kế chuyển đổi khác nhau (bộ chuyển đổi hoặc bộ chỉnh lưu chuyển ac sang dc và là giai đoạn đầu tiên của biến tần). Có hai loại thiết kế chuyển đổi chính. 
Bộ chuyển đổi SCR với biến tần nguồn điện áp / Biến tần điện áp biến thiên (VSI / VVI)
Thường được gọi là biến tần sáu bước, chúng sử dụng SCR (Bộ điều chỉnh Silicon) trong phần đầu chuyển đổi của chúng (thảo luận sau đây áp dụng cho biến tần tần số biến tần CSI, Biến tần nguồn hiện tại, cũng sử dụng SCR). Thiết kế biến tần tần số VSI và CSI có xu hướng được áp dụng trên các bộ biến tần lớn hơn (> 100 HP). Bộ chuyển đổi SCR điều khiển điện áp liên kết dc bằng cách bật dòng điện (hoặc "gating") cho một phần của sóng sin được áp dụng và tắt ở các điểm qua không. Không giống như điốt, SCR yêu cầu các mạch điều khiển để bắn cổng. 

Đối với bộ chuyển đổi SCR, có ba vấn đề chính ảnh hưởng đến PQ bên dòng:

• Khớp nối chuyển mạch. SCR chuyển mạch hoặc chuyển mạch là như vậy mà có những khoảnh khắc ngắn gọn khi hai giai đoạn cả hai sẽ được "ON". Điều này gây ra những gì đang có hiệu lực một mạch ngắn tạm thời có xu hướng sụp đổ điện áp đường dây. Điều này cho thấy là "bậc" trên dạng sóng điện áp. Những bậc này gây ra cả VTHD và transients cao. Giải pháp là đặt một cuộn dây lò phản ứng hoặc biến áp cách ly trong loạt với đầu trước của biến tần để làm sạch cả hai vấn đề.
• Hệ số công suất giảm do tốc độ biến tần giảm. Đây không phải là một vấn đề nghiêm trọng như nó âm thanh, bởi vì yêu cầu năng lượng của ổ đĩa động cơ tải giảm nhiều hơn.
• Dòng hài hòa, thường là thứ 5 và thứ 7, được tạo ra bởi bộ biến tần VSI.

Bộ chuyển đổi Diode với Biến tần Tần số Điều chế Độ rộng Xung (PWM)

Thiết bị chuyển đổi khác và phổ biến hơn sử dụng điốt và được sử dụng trong biến tần PWM. Các điốt không yêu cầu phải có mạch điều khiển chuyển mạch. Một trong những xu hướng chính trong ngành là sự gia tăng của các biến tần PWM, chủ yếu là do sự phát triển liên tục của các IGBT chuyển mạch nhanh, hiệu quả (Các bóng bán dẫn lưỡng cực cách điện) được sử dụng trong phần biến tần của biến tần (biến tần biến dc thành AC). Đối với tất cả các mục đích thực tế, bộ biến tần PWM là chuẩn công nghiệp.
Đối với bộ chuyển đổi diode, vấn đề PQ chính là sóng hài. Các đơn hàng hài hòa thực tế được tạo ra phụ thuộc vào số lượng điốt trong giao diện người dùng. Đối với chuyển đổi ba pha, cần có tối thiểu sáu bộ điốt. Bộ chuyển đổi "sáu xung" này sẽ tạo ra các giai điệu thứ 5 và thứ 7. Nếu một bộ chuyển đổi 12 xung được sử dụng, các sóng hài thứ 11 và thứ 13 sẽ được tạo ra thay vì thứ 5 và thứ 6 - và, rất quan trọng, cho cùng tải, biên độ của 11 và 13 sẽ thấp hơn đáng kể so với thứ 5 và thứ 6 . Do đó, THD sẽ ít hơn. Phần lớn các biến tần, tuy nhiên, là kiểu PWM 6 xung, đó là một lý do chúng ta thấy rất nhiều hài hòa thứ 5 trên hệ thống. 
Giải pháp Harmonics
Có một số giải pháp để giảm thiểu tần số biến tần tạo sóng hài: 
Bộ lọc bẫy hài hòa
Đây thường là các mạng LC được kết nối song song với nguồn của sóng hài (nói cách khác, ở đầu vào biến tần). Chúng được điều chỉnh ngay dưới mức điều hòa thứ 5 (thường là 280 Hz) và sẽ có xu hướng chìm cả 5 và phần lớn của hài bậc 7. Rõ ràng, chúng phải có kích thước cho tải tạo ra hài hòa.

Biến thế pha thay đổi
Điều này có thể đơn giản như biến áp wye delta cho một biến tần (s) và một delta-delta cho một biến tần (s) khác. Có hiệu ứng thay đổi pha 30 độ giữa hai cấu hình này, điều này có hiệu quả trong việc hủy bỏ sóng hài tại PCC thượng nguồn gần nhất (Point of Common Coupling). Hiệu ứng hủy là tối ưu khi cả hai tải đều bằng hoặc nhỏ hơn.
Bộ chuyển đổi 12 xung
Nếu delta-wye / delta-delta được đóng gói cùng nhau (đồng bằng chính, delta và wye phụ) và mỗi nguồn cấp hai là một trong hai bộ chuyển đổi 6 xung song song, đầu vào 12 xung được tạo với tất cả lợi ích được đề cập ở trên. Thiết kế 18 xung cũng có sẵn. Bởi vì chi phí thêm, loại giải pháp này có xu hướng chỉ được sử dụng trên tải HP cao. 
Các bộ lọc hoạt động
Công nghệ tương đối mới này dựa trên một khái niệm thanh lịch - sử dụng các thiết bị điện tử công suất để giải quyết các vấn đề được tạo ra bởi các thiết bị điện tử công suất. Nó cảm nhận được sóng sin ac tức thời; nó sau đó chủ động hủy bỏ các sóng hài mà nó phát hiện bằng cách tạo ra các sóng hài cực đồng đều và ngược lại, do đó tái tạo sóng sin. Các gói thương mại cũng có thể cung cấp quy định điện áp.
Tích cực chỉnh hệ số công suất
Một giải pháp gần đây là dành cho các nhà sản xuất để cung cấp chuyển đổi trước kết thúc sử dụng công nghệ chuyển mạch nhanh mà tạo ra một số tiền tối thiểu của sóng hài và có hệ số công suất gần thống nhất (cả Tổng hệ số công suất và hệ số công suất dịch chuyển). Có chỗ để thảo luận về cách tiếp cận giảm nhẹ hài hòa nào có thể chứng minh hiệu quả và kinh tế nhất trong một tình huống cụ thể. Tuy nhiên, những gì thường bị người dùng cuối bỏ qua, và những gì phải rõ ràng từ thông tin trong phần này, là tổng chi phí của một hệ thống biến tần nên bao gồm cả chi phí của biến tần và giảm thiểu hài hòa (cho dù một phần của biến tần hoặc được lắp đặt riêng). 
Cộng hưởng hệ thống điện
Có thể cài đặt "Bộ phận Hiệu chỉnh Hệ số Công suất" và có hệ số công suất trở nên tồi tệ hơn không? Nó chắc chắn là, và một nơi bắt đầu để hiểu câu đố này nằm trong sự phân biệt giữa hệ số công suất dịch chuyển (DPF) và Tổng công suất (PF). Hình phạt cho việc không hiểu sự khác biệt có thể được thổi tụ và đầu tư lãng phí.
Tổng hệ số công suất và hệ số công suất dời là giống nhau theo một ý nghĩa cơ bản: chúng là tỷ số của công suất thực so với công suất biểu kiến ​​hoặc Watts đối với VA. Hệ số công suất dời là khái niệm cổ điển về hệ số công suất. Nó có thể được coi là hệ số công suất ở tần số cơ bản. Tổng hệ số công suất, viết tắt là Power Factor (PF), hiện nay bao gồm các hiệu ứng cơ bản và dòng hài (nó cũng được gọi là hệ số công suất thực hoặc hệ số công suất biến dạng, hình dưới). Theo đó, với sự hiện diện của sóng hài, hệ số công suất luôn thấp hơn hệ số công suất dịch chuyển và cũng là mô tả chính xác hơn về hiệu quả toàn bộ hệ thống so với hệ số công suất riêng.

Nói đúng ra, thuật ngữ "Hệ số công suất" dùng để chỉ Hệ số công suất tổng, nhưng trong thực tế cũng có thể được sử dụng để chỉ hệ số công suất dịch chuyển. Không cần phải nói, điều này giới thiệu một số nhầm lẫn vào các cuộc thảo luận về yếu tố sức mạnh. Bạn phải rõ ràng bạn đang nói về cái gì. 
Hệ số công suất dịch chuyển
Hệ số công suất thấp hơn là do tải trọng động cơ giới thiệu nhu cầu về công suất phản kháng (phản ứng Volt-Amp hoặc VAR). Hệ thống phải có công suất, được đo bằng Volt-Amps (VA) để cung cấp cả VAR và Watts. Cần càng nhiều VAR, yêu cầu VA càng lớn và hệ số công suất dịch chuyển nhỏ hơn. Chi phí của VAR được tính vào phí phạt của hệ số công suất. Các tiện ích thường thu phí bổ sung cho hệ số công suất dịch chuyển dưới một mức nhất định; con số thực tế rất khác nhau, nhưng con số điển hình là 0,90 đến 0,95. 
Để giảm VAR do tải động cơ, các tụ bù hiệu chỉnh hệ số công suất được lắp đặt. Khả năng của hệ thống thượng nguồn, cả trong nhà máy và ở cấp độ tiện ích, được phát hành và có sẵn cho các mục đích sử dụng khác.

Về mặt lịch sử, điều này đã là ý chính của câu chuyện hệ số công suất: một vấn đề tương đối nổi tiếng với một giải pháp tương đối đơn giản. 
Harmonics và tụ
Harmonics đã có một tác động đáng kể đến cách tiếp cận của chúng tôi để hiệu chỉnh Power Factor. Các tải động cơ và tụ điện mô tả ở trên là tất cả tuyến tính và cho tất cả các mục đích thực tế tạo ra không có sóng hài. Các tải phi tuyến tính như biến tần, mặt khác, tạo ra các dòng hài hòa.
Đi một nhà máy mà là bước-by-step đặt tần số biến tần trên tải động cơ của nó. Biến tần tần số tạo ra các dòng hài hòa đáng kể (thứ 5 và thứ 7 trên sáu biến tần tần số biến tần xung). Đột nhiên các cầu chì trên mũ hiệu chỉnh hệ số công suất hiện tại bắt đầu thổi. Vì đây là mũ ba pha, chỉ một trong ba cầu chì có thể thổi. Bây giờ bạn đã có dòng không cân bằng, có thể là điện áp không cân bằng. Thợ điện thay thế cầu chì. Họ lại thổi. Ông đặt trong cầu chì lớn hơn. Bây giờ các cầu chì tồn tại, nhưng tụ điện thổi. Ông thay thế các tụ điện. Điều tương tự cũng xảy ra. Chuyện gì vậy? Sóng hài là dòng tần số cao hơn. Tần số càng cao thì trở kháng của nắp (X _C = 1 / 2πfC) càng thấp. Các nắp hoạt động như một bồn rửa cho dòng hài hòa. 
Cộng hưởng hệ thống điện
Trong trường hợp xấu nhất, phản ứng cảm ứng (X _L) của máy biến áp và điện dung phản kháng (X _C) của nắp hiệu chỉnh hệ số công suất tạo thành một mạch cộng hưởng song song: X _L = X _C ở tần số cộng hưởng giống hoặc gần với tần số điều hòa. Dòng hài được tạo ra bởi tải kích thích mạch vào dao động. Dòng điện sau đó lưu thông trong mạch này nhiều lần lớn hơn dòng điện thú vị. Cái gọi là "mạch bể" này có thể làm hỏng thiết bị, và nó cũng sẽ làm giảm hệ số công suất. Ngẫu nhiên, điều kiện cộng hưởng này thường chỉ xuất hiện khi hệ thống được nạp nhẹ, vì hiệu ứng giảm chấn của tải điện trở được loại bỏ. Nói cách khác, chúng tôi có những gì các buff âm thanh gọi là một "cao Q" mạch.

Hãy tưởng tượng đến làm việc vào một ngày thứ hai và nhìn thấy cách nhiệt trên dây cáp của bạn tan chảy. Làm thế nào điều này có thể xảy ra trong một ngày cuối tuần khi hầu như không có bất kỳ tải nào trên hệ thống? Luật của Ohm có bị bác bỏ không? Không hẳn. Hệ thống điện của bạn vừa trải qua cuối tuần đã đánh bật trên Harmonics. Đó là một bữa tiệc khá, nhưng giờ đã đến lúc dọn dẹp. 
Bắt đầu với giảm thiểu sóng hài
Đường dẫn giải pháp chính xác bắt đầu bằng việc đo và giảm thiểu các sóng hài được tạo ra bởi các biến tần. Bộ lọc bẫy hài hòa thường được gọi cho. Các bộ lọc bẫy này được cài đặt cục bộ ở phía bên của bộ biến tần. Hiệu ứng của chúng rất giống với nắp hiệu chỉnh hệ số công suất truyền thống, theo hai nghĩa: chúng làm giảm hệ số công suất cũng như hệ số công suất, và chúng cũng bản địa hoá sự lưu thông của sóng hài (thường là thứ 5). Giảm thiểu sóng hài và điều chỉnh hệ số công suất truyền thống cần được giải quyết như một vấn đề hệ thống. Nói cách khác, quản lý hệ số công suất tổng, không chỉ hệ số công suất dịch chuyển.