Выпрямительные трансформаторы — это основные части специализированного оборудования, используемого в промышленном электролизе, гальванике, электростатическом осаждении, среднечастотной-плавке, фотоэлектрическом преобразовании постоянного тока и системах привода-частоты. В отличие от стандартных распределительных трансформаторов, выпрямительные трансформаторы работают в условиях, связанных с преобразованием переменного тока-в-постоянный ток, импульсными нагрузками и нелинейной проводимостью; следовательно, они неизбежно генерируют гармоники сети во время работы. Гармоники являются основной причиной ухудшения качества электроэнергии, перегрева оборудования, повреждения конденсаторов, ошибок измерения и штрафов коммунальных предприятий. Для решения проблем с гармониками в промышленных условиях компания Henan Xintailong предлагает стандартизированные много-импульсныевыпрямительные трансформаторы(6-импульсные, 12-импульсные и 24-импульсные), предназначенные для оптимизации формы сигналов и подавления гармоник в источнике. В следующем разделе представлено систематическое объяснение принципов генерации гармоник, процесса их формирования, реальных опасностей и стандартных отраслевых стратегий их снижения.
I. Основные принципы генерации гармоник в выпрямительных трансформаторах
1. Не-линейная проводимость в цепях выпрямителей является основной причиной появления гармоник.
Стандартные распределительные трансформаторы обычно обслуживают чисто резистивные или индуктивные нагрузки, что приводит к получению стандартной синусоидальной формы тока, свободной от гармонических помех. Напротив, сторона низкого-напряжения выпрямительного трансформатора подключается к диодным или тиристорным выпрямительным мостам, образуя типичную нелинейную-линейную нагрузку. Компоненты выпрямителя не проводят ток постоянно; вместо этого они срабатывают при определенных фазовых углах сигнала переменного тока, «прерывая» вход переменного тока в прерывистый сигнал перед преобразованием его в постоянный ток.
Первоначально гладкий, округлый синусоидальный ток нарезается, усекается и становится прерывистым, в результате чего форма волны демонстрирует провалы, зазубрины, плоские вершины и резкие изменения. Согласно принципам анализа Фурье, любой искаженный сигнал можно разложить на стандартную фундаментальную волну и несколько высокочастотных-гармоник; это основная причина генерации гармоник в выпрямительных системах.
2. Количество импульсов выпрямителя напрямую определяет выраженность гармоник.
Конфигурация обмотки выпрямительного трансформатора определяет количество импульсов выпрямителя; чем меньше количество импульсов, тем сильнее искажение формы сигнала и тем больше содержание гармоник:
• 6-импульсное выпрямление: имеет простую структуру и низкую стоимость, но генерирует значительные уровни гармоник низкого-порядка (5-й, 7-й, 11-й и 13-й). Гармоники низкого порядка обладают высокой энергией и сильной проникающей способностью; их труднее всего смягчить, и они являются основной причиной превышения допустимых уровней гармоник на подавляющем большинстве заводов. Обычно они связаны с небольшим, легконагруженным оборудованием.
12-импульсное и 24-импульсное выпрямление: за счет использования двойной-фазосдвигающей обмотки, конфигурации двойной-звезды (межфазный трансформатор) и встроенных-балансирующих реакторов гармоники, генерируемые двумя наборами выпрямителей, нейтрализуют друг друга. Это значительно устраняет гармоники низкого-низкого порядка,-оставляя лишь минимальное количество гармоник высокого-порядка, а также значительно улучшает плавность формы сигнала, что делает его пригодным для мощных приложений, требующих непрерывного круглосуточного производства.
3. Магнитное насыщение сердечника и смещение постоянного тока усугубляют гармоническое загрязнение.
Во время выпрямления небольшие количества постоянного тока возвращаются в обмотки трансформатора, вызывая смещение постоянного тока. Это смещает рабочий диапазон сердечника трансформатора и приводит к насыщению магнитного потока.
После насыщения сердечника ток возбуждения больше не имеет синусоидальной формы; форма сигнала сильно искажается, создавая дополнительные гармоники возбуждения. Они накладываются на гармоники нагрузки самой схемы выпрямителя, еще больше ухудшая искажения формы сигнала сети и одновременно увеличивая шум оборудования, вибрацию и выделение тепла.
II. Специфические негативные воздействия гармоник на оборудование и энергосистему
1. Поломка выпрямительно-трансформаторного блока.
Гармоники – это высокочастотные-токи, которые проявляют выраженный скин-эффект, концентрируя свое течение на поверхности обмоток:
Вызывают аномальное повышение температуры обмоток и сердечника; длительное воздействие высоких температур ускоряет старение изоляции и сокращает срок службы трансформатора.
Они увеличивают потери на вихревые токи и гистерезис, увеличивая потери как на холостом ходу, так и при нагрузке, что приводит к увеличению затрат на электроэнергию для завода.
Высокочастотный-магнитный поток вызывает резонанс сердечника, увеличивая шум и вибрацию оборудования; Длительная-эксплуатация может привести к таким проблемам, как ослабление болтов, утечка масла и усталость конструкции.
2. Опасности для низковольтной системы распределения электроэнергии станции.
Конденсаторы компенсации реактивной мощности сильно подвержены резонансу с гармониками, вызывающим резкие скачки тока; это приводит к вздутию конденсатора, пробою диэлектрика, частым отказам и возможному выходу из строя системы компенсации.
Автоматические выключатели, контакторы и защитные реле могут работать со сбоями или нежелательными срабатываниями, что приводит к необъяснимым остановкам производственной линии.
В трансформаторах тока и напряжения возникают ошибки измерения, приводящие к неточным измерениям и неточностям в статистике энергопотребления.
Кабели страдают от сильного-высокочастотного нагрева и снижения допустимой нагрузки по току-; на старых объектах перегретые линии представляют значительную опасность пожара.
3. Вмешательство в работу прецизионного оборудования и систем автоматизации.
Высокочастотные-гармоники создают электромагнитные помехи, которые влияют на низковольтные системы управления и сигнализации станции:
Нестабильность сигналов в системах управления ПЛК, датчиках и преобразователях частоты (ЧРП).
Ненормальные операции запуска/остановки на автоматизированных производственных линиях и дрейф сбора данных.
Неточные показания прецизионных приборов, снижающие точность обработки изделия.
4. Влияние на общественную энергосистему и экономические потери
Чрезмерные гармоники вызывают искажения напряжения и ухудшение формы сигналов в общественной сети, влияя на качество электроэнергии для других предприятий в том же районе. Энергетические компании обеспечивают соблюдение стандартов качества электроэнергии; нарушения пределов гармоник могут привести к штрафам и пеням за некачественный коэффициент мощности. В тяжелых случаях предприятиям может потребоваться остановить производство для устранения помех и установить дополнительное оборудование для подавления гармоник.
III. Общие решения по снижению гармоник для промышленных объектов
1. Отдайте приоритет много-импульсным выпрямительным трансформаторам:12-импульсные и 24-пульсные фазосдвигающие выпрямительные трансформаторы представляют собой наиболее экономичный и стабильный метод подавления гармоник в промышленных условиях. Они подавляют большинство гармоник низкого порядка за счет топологии своей схемы, устраняя необходимость в обширном оборудовании для фильтрации на выходе.
2. Оптимизированная конструкция обмотки с высоким-импедансом: СиньтайлунВ выпрямительных трансформаторах используется конструкция с высоким-импедансом (6–12 %), позволяющая эффективно сглаживать скачки тока, подавлять искажения формы сигнала, ослаблять амплитуды гармоник и минимизировать помехи в сети, вызванные ударными нагрузками.
3. Соответствующая установка фильтрующего оборудования:В старых 6-пульсных системах, где замена трансформатора невозможна, можно установить активные или пассивные фильтрующие устройства для быстрого подавления остаточных гармоник и стабилизации качества электросети.
4. Оптимизация структуры обмотки и уменьшение магнитного смещения постоянного тока:Симметричная структура обмотки с двойной -обратной-звездой уравновешивает постоянную составляющую и снижает магнитное насыщение сердечника, тем самым ограничивая генерацию гармоник возбуждения в источнике.
IV. Резюме для начинающих
Гармоники в выпрямительных трансформаторах — это не неисправность оборудования, а неотъемлемые характеристики самого процесса выпрямления, обусловленные тремя основными факторами: нелинейным выпрямлением, прерыванием формы сигнала и магнитным насыщением сердечника. Проблемы с гармониками усугубляются меньшим количеством импульсов, высокими-ударными нагрузками и старением оборудования.
Потери, неисправности, штрафы и деградация оборудования, вызванные гармониками, представляют собой долгосрочные-скрытые издержки для заводов.
