Analyse des Phänomens der harmonischen Verstärkung

1. Zusammenfassung

Aufgrund der Vorteile einer einfachen Steuerung und der geringen Kosten eines ungesteuerten Gleichrichterwandlers wird er häufig in Schaltnetzteilen, Frequenzumrichtern und anderen Geräten eingesetzt. Allerdings speist ein solcher Wandler große Mengen an Oberschwingungsströmen in das Stromnetz ein und wird zunehmend zur wichtigsten Oberschwingungsquelle im Stromnetz. Bei den meisten Frequenzumrichtern auf dem Markt handelt es sich um typische nichtlineare Lasten mit Spannungsquellen und dreiphasigen ungesteuerten Gleichrichterschaltungen mit gleichstromseitigem Kondensator. Verglichen mit der induktivitätsgefilterten Diodengleichrichterschaltung ist die gesamte harmonische Verzerrungsrate des Stroms abhängig von der Impedanz auf der Wechselstromseite. Im Gegensatz dazu werden die Spannungseigenschaften auf der Wechselstromseite weniger durch die Impedanz auf der Wechselstromseite beeinflusst, und die gesamte Last ähnelt eher einer Spannungsquelle, weshalb sie als nichtlineare Last vom Spannungsquellentyp bezeichnet wird.

Bei harmonischen Quellen wird im Allgemeinen der parallele aktive Filter zur Steuerung verwendet. Der aktive Filter ist im Wesentlichen ein Spannungs-Pulsweitenmodulationswandler. Durch die Erkennung des harmonischen Laststroms wird dann der Kompensationsstrom mit gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase zur harmonischen Filterung in den gemeinsamen Kopplungspunkt eingespeist, was einer Stromquelle entspricht.

Der Spannungszwischenkreis-Wechselrichter verwendet normalerweise eine Stromquelle. In diesem Artikel wird dieses Phänomen analysiert und Maßnahmen zur Unterdrückung des harmonischen Verstärkungseffekts vorgeschlagen, sodass die parallele AHF einen guten Kompensationseffekt auf die nichtlineare Last der Spannungsquelle erzielen kann.

2. Analyse der harmonischen Verstärkungseffekte der Last

Abbildung 1 Einzelnes Ersatzschaltbild eines Parallelkompensationssystems unter einer einzigen Harmonischen

Abbildung 1 ist das einphasige Ersatzschaltbild des dreiphasigen Parallelkompensationssystems, und der IC ist der parallele AHF-Typ, der auf der Grundlage des Ersatzschaltbilds in diesem Artikel abgeleitet wird.

ILh-----Harmonischer Inhalt nach Kompensation
ILh-----Harmonischer Inhalt vor der Kompensation
ZSh------Systemimpedanz
ZLh -----Lastimpedanz
λ----------AHF-Kompensationsrate
m----------Spannungsschwankung auf der Wechselstromseite der Last

Wie aus der Formel ersichtlich ist, ändert sich nach der Kompensation mit parallelem AHF der nichtlineare Oberschwingungsstrom der Spannungsquelle, und die Vergrößerung hängt hauptsächlich mit der Änderungsrate der Lastspannung μ, der Oberschwingungskompensationsrate von AHF λ und der Systemimpedanz ZSh zusammen und der lastwechselstromseitigen Impedanz ZLh. Im Allgemeinen ändert sich die Spannungsquelle einer nichtlinearen Last nur sehr wenig, sodass m ungefähr gleich 1 ist; und die Systemimpedanz ist ebenfalls sicher. Wenn die Last nur über einen Abschnitt eines gewöhnlichen Kabels mit dem PCC-Punkt verbunden ist, ist die Impedanz auf der Wechselstromseite nur die äquivalente Impedanz des Kabels und der ZLh ist klein. Um eine bessere Wirkung nach der AHF-Kompensation zu erzielen, sollte die harmonische Kompensationsrate im Allgemeinen mehr als 90 % erreichen. Aus der Formel ist ersichtlich, dass das Verhältnis des harmonischen Stroms nach der Kompensation und vor der Kompensation viel größer als 1 ist, was bedeutet, dass ein schwerwiegenderer harmonischer Verstärkungseffekt auftritt.

Der Effekt der harmonischen Verstärkung der Last ist das Ergebnis der gemeinsamen Wirkung von parallelem AHF, nichtlinearer Last und Stromnetz. Bei der parallelen Ausgabe des AHF-Kompensationsstroms steigt der Oberschwingungsstrom der Last ständig an, und der AHF passt den Strombefehl an, um entsprechend dem erkannten Oberschwingungsstrom auf der AC-Seite der Last mehr Kompensationsstrom auszugeben, wodurch ein Teufelskreis entsteht.

3. Maßnahmen zur Unterdrückung des harmonischen Verstärkungseffekts

1. Analyse der Faktoren, die den harmonischen Verstärkungseffekt beeinflussen

Der Verstärkungseffekt des Lastharmonischenstroms hängt hauptsächlich mit den vier Parametern zusammen: der Änderungsrate der Lastspannung, der Harmonischenkompensationsrate des parallelen AHF, der Systemimpedanz und dem Last-AC-Seitenwiderstand. In der praktischen Anwendung können die Last-AC-Seitenimpedanz und die harmonische Kompensationsrate paralleler AHF leicht geändert werden. Um den Verstärkungseffekt des Lastharmonischenstroms zu unterdrücken, können daher Maßnahmen aus der Systemstruktur und der AHF-Oberwellenkompensationsrate ergriffen werden.

2. Lösung

AC-seitigen Reiheninduktor laden:

Aus der Formel geht hervor, dass eine Erhöhung der Impedanz auf der Wechselstromseite der Last das Verstärkungsverhältnis des harmonischen Laststroms verringern kann. Die einfachste und effektivste Methode in der praktischen Anwendung besteht darin, die Induktivitäten in Reihe zu schalten AC-Seite laden. Je größer die Serieninduktivität ist, desto besser ist die Wirkung der Begrenzung des Oberschwingungsstrompegels der Last. Wenn die Induktivität zu klein ist, ist es schwierig, eine bessere Hemmwirkung zu erzielen. Die Größe der Serieninduktivität muss entsprechend dem anfänglichen Oberschwingungsstrompegel der Last und der Größe der Systemimpedanz bestimmt werden.

Reduziert die AHF-Kompensationsrate:

Gemäß der Formel und unter der Annahme, dass μ = 1 und ZLh/ZSh = 0,01, lautet die vereinfachte Formel

Mit der Verbesserung der Kompensationsrate ist die harmonische Verstärkung umso größer, je größer die Last ist. Daher kann die Kompensationsrate reduziert werden, um die Verstärkung um ein Vielfaches zu verringern. Die selektive harmonische Kompensation ist ebenfalls eine wirksame Methode, um den Stromgehalt in den Eigenschaften der harmonischen Kompensation zu berücksichtigen Einerseits kann die gesamte THDi-Steuerung innerhalb des zulässigen Bereichs erfolgen, andererseits können auch andere Zeiten der harmonischen Stromverstärkung vermieden werden.