مقدمة
محركات تردد متغير (VFDs) استنادًا إلى طوبولوجيا مقوم 6 نبضات، تعد من بين أجهزة تحويل الطاقة الأكثر انتشارًا في التطبيقات الصناعية. إن خاصية الإدخال غير الخطية المتأصلة فيها تجعلها مصدرًا مهمًا للتشوه التوافقي في أنظمة التوزيع الكهربائية. في حين أن الطيف التوافقي النظري لمقوم ذو 6 نبضات راسخ وموصوف بشكل شائع بواسطة \(1/n\) نموذج السعة [1], وتكشف القياسات العملية باستمرار عن انحرافات ذات معنى عن هذا السلوك المثالي، وهي انحرافات تحمل عواقب حقيقية على تصميم النظام, تحجيم المرشح, والامتثال للمعايير التوافقية مثل IEEE 519 [2] وIEC 61000-3-6 [3].
تقدم هذه المقالة تحليلا مقارنا للأطياف التوافقية النظرية والعملية لـ VFD ذو 6 نبضات, فحص الأوامر التوافقية 3 خلال 50 عبر أربعة شروط التحميل (25%, 50%, 75% و 100% من الحمل المقنن). الحجم التوافقي, زاوية المرحلة, وتناقش التسلسل, ويتم فحص القيود المفروضة على نموذج الحقن الحالي المثالي في ضوء سلوك النظام في العالم الحقيقي.
01 الخلفية النظرية
يتكون المقوم ذو 6 نبضات من صمام ثنائي كامل الموجة ثلاثي الطور أو جسر ثايرستور ينتج ستة نبضات تيار لكل دورة أساسية. في ظل ظروف مثالية — إمداد ثلاثي المراحل متوازن تمامًا, حمل DC حثي بحت ينتج تيارًا مستمرًا سلسًا تمامًا, وأجهزة التحويل المثالية – شكل موجة تيار خط التيار المتردد عبارة عن موجة شبه مربعة يحتوي تحليل فورييه الخاص بها على أوامر توافقية محددة فقط [1].
التوافقيات المميزة
هذه التوافقيات المميزة تتبع العلاقة:
وهذا ينتج أوامر توافقية 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 وهلم جرا. يتم إعطاء السعة النظرية لكل توافقي مميز بالنسبة إلى الأساسي بواسطة:
حيث \(I_h\) هو حجم RMS \(h\)-التيار التوافقي, \(I_1\) هو حجم RMS للتيار الأساسي, و \(h\) هو الترتيب التوافقي. وهذا يعطي التوافقي الخامس 20% من الأساسي, السابع من 14.3%, الحادي عشر من 9.1%, وهلم جرا [1][4].
التشوه التوافقي الكلي في ظل النموذج المثالي هو:
بالنسبة لمقوم ذو 6 نبضات مع حمل DC حثي بحت، فإن هذا يتقارب تقريبًا 28.6% [4].
في ظل هذا النموذج المثالي, جميع التوافقيات الزوجية وجميع التوافقيات الثلاثية (3طريق, 9ال, 15ال, 21شارع…) غائبة نظريا عن التيارات الخطية. التوافقيات الثلاثية هي تسلسل صفري - جميع الأطوار الثلاثة تحملها بزوايا طور متطابقة - وفي نظام ثلاثي الأطوار متوازن لا يمكنها الدوران في موصلات الخط. حتى التوافقيات يتم قمعها بواسطة تناظر نصف الموجة لشكل موجة المقوم:
التسلسل التوافقي
تتبع التوافقيات المميزة نمط تسلسل محدد مع تأثيرات مباشرة على الآلات الدوارة وسلوك نظام الطاقة:
تدور توافقيات التسلسل السلبي في معارضة للأساسيات, إنتاج تأثيرات عزم الدوران العكسي في المحركات الحثية والمساهمة في تسخين الدوار. تدور التوافقيات ذات التسلسل الإيجابي في نفس اتجاه التوافقيات الأساسية [4][5].
02 الأطياف التوافقية العملية – الانحرافات عن النموذج المثالي
عمليا, الشروط التي يتطلبها المثالي \(1/n\) لم يتم استيفاء النموذج بالكامل أبدًا. أهم خروج عن السلوك المثالي في VFD الحديث هو استبدال افتراض حمل التيار المستمر الحثي بمكثف كهربائي كبير على ناقل التيار المستمر. بدلاً من رسم تيار مستمر سلس, يقوم المقوم الذي يتم تغذيته بمكثف بسحب التيار فقط خلال الفواصل الزمنية عندما يتجاوز جهد الإمداد اللحظي جهد ناقل التيار المستمر, إنتاج ضيقة, نبضات تيار عالية السعة [6].
الرقم 1 - مقارنة الموجي
يكشف تحليل فورييه لشكل الموجة الذروة عن انحرافين منهجيين عن الشكل الموجي \(1/n\) نموذج. في انخفاض الأوامر التوافقية (5العاشر والسابع), المقادير العملية تتجاوز أو تقترب من القيم المثالية, مدفوعًا بالشكل النبضي الضيق الذي يركز الطاقة في مكونات منخفضة التردد. في أوامر توافقية أعلى (17عشر وما فوق), يهيمن العكس - الحث من الجانب المتناوب وزمن صعود النبض المحدود يخففان هذه المكونات بسرعة أكبر من \(1/n\) يتنبأ. يحدث التقاطع عادة بين التوافقي الحادي عشر والثالث عشر [4][6].
يتم التعبير عن هذا السلوك من خلال إدخال عامل التصحيح \(k_h\) إلى النموذج المثالي:
حيث \(ك_ح> 1\) للتوافقيات ذات الترتيب الأدنى, \(ك_ح < 1\) for higher-order harmonics, and \(k_h \approx 1\) near the 11th–13th. The value of \(k_h\) varies with load level, DC bus capacitance, and AC-side impedance [7].
تتغير زاوية الطور للتيارات التوافقية أيضًا مع الحمل, مما يعكس زاوية تداخل التبديل المتغيرة \(\mu\) يحكمها:
حيث \(\omega\) هو التردد الزاوي, \(L_s\) هو محاثة الجانب AC لكل مرحلة, \(I_d\) هو تيار الحمل DC, و \(V_{إل إل}\) هو جهد الإمداد من خط إلى خط [5][8].
الرقم 2 - الطيف التوافقي: المثالي مقابل العملي في 100% حمولة
كلا زح(ح) و زنظام(ح) الزيادة مع التردد - التيار التوافقي المحقون عند كل أمر هو نتيجة النسبة بين الممانعتين, ليست قيمة ثابتة. انظر الشكل 3.
جدول 1 - الحجم التوافقي والمرحلة: h3 إلى h50 في جميع ظروف التحميل
يغطي الجدول أدناه الأوامر التوافقية 3 خلال 50 على أربعة مستويات التحميل, تظهر كلا الحجم (% من الأساسي) وزاوية المرحلة (°) لكل. يتم تسليط الضوء على التوافقيات المميزة. القيم هي تقديرات عملية تعتمد على قياسات القيادة المنشورة - راجع القسم 2 للمنهجية.
جدول 2 - المثالي مقابل العملي في 100% حمولة: h3 إلى h50
هذا الجدول يقارن المثالي 1/ن سعة النموذج مقابل القيمة المقدرة العملية عند 100% تحميل لكل أمر توافقي, مع تصنيف التسلسل والفرق الموقع. يتم وضع علامة ▲ على التوافقيات التي تتجاوز فيها القيم العملية القيم المثالية; تلك التي تتدحرج بشكل أسرع من المثالي يتم تمييزها بـ ▼.
03 تفاعل النظام وحدود نموذج المصدر الحالي
يعتمد التحليل التوافقي في أنظمة الطاقة تقليديًا على نموذج حقن المصدر الحالي, حيث يتم تمثيل كل حمل غير خطي كمصدر تيار مثالي يحقن تيارات توافقية ثابتة في الشبكة عند نقطة الاقتران المشترك (PCC). يدعم هذا النموذج منهجية التقييم التوافقي لكل من IEEE 519 [2] وIEC 61000-3-6 [3]. لكن, يعد نموذج المصدر الحالي تبسيطًا كبيرًا للسلوك الفعلي لـ VFD ذو 6 نبضات.
الرقم 3 — مكافئ Norton لـ VFD ذو 6 نبضات على شبكة التوزيع
الاعتماد على مقاومة العرض
المصدر الحالي الحقيقي مستقل عن مقاومة الشبكة التي يحقن فيها. محرك ذو 6 نبضات ليس كذلك. A 3% مفاعل الخط عادة ما يقلل التيار التوافقي الخامس من حوالي 18% إلى 12% الأساسية في حمولة كاملة [6][7]. تلتقط صيغة Norton المكافئة هذه التبعية:
صدى
يؤدي الرنين المتوازي بين بنوك المكثفات ومحاثة العرض إلى إنشاء عقد ذات مقاومة عالية عند ترددات توافقية محددة. تردد الرنين هو:
حيث \(س_{الشوري}\) هي طاقة الدائرة القصيرة في PCC و \(Q_c\) هي القوة التفاعلية لبنك المكثف [9].
تفاعل محرك متعدد
Arithmetic addition of individual drive harmonic spectra consistently overestimates actual distortion at the PCC [2][3]. IEC 61000-3-6 يعالج هذا من خلال قانون الجمع:
جدول 3 — اللجنة الانتخابية المستقلة 61000-3-6 جمع الأس α بالترتيب التوافقي
| النظام التوافقي | إنهم الأس α | نوع الجمع |
|---|---|---|
| 2الثاني – الخامس | 1.4 | مرتبطة جزئيا (مميز) |
| 6ال | 2.0 | مرحلة عشوائية (غير مميزة) |
| 7ال | 1.4 | مرتبطة جزئيا (مميز) |
| 8العاشر – العاشر | 2.0 | مرحلة عشوائية (غير مميزة) |
| 11ال | 1.4 | مرتبطة جزئيا (مميز) |
| 12ال | 2.0 | مرحلة عشوائية (غير مميزة) |
| 13ال | 1.4 | مرتبطة جزئيا (مميز) |
| 14ال - 16 | 2.0 | مرحلة عشوائية (غير مميزة) |
| 17ال - 19 | 1.4 | مرتبطة جزئيا (مميز) |
| 20ال – 22 | 2.0 | مرحلة عشوائية (غير مميزة) |
| 23الثالث - 25 | 1.4 | مرتبطة جزئيا (مميز) |
| 26ال - 50 | 2.0 | مرحلة عشوائية (غير مميزة) |
في الأنظمة التي يهيمن عليها نوع محرك أقراص واحد, الجمع الحسابي (\(\ألفا = 1\)) قد يكون أكثر تمثيلا من \(\ألفا = 1.4\) للأوامر المميزة. يظل الحكم الهندسي والقياس الفعلي حيثما أمكن ذلك ضروريًا [2][3].
04 الآثار العملية والتخفيف
تحجيم المحولات والكابلات
تعمل التيارات التوافقية على زيادة تيار خط RMS فوق القيمة الأساسية:
يجب تقييم المحولات التي تزود الأحمال غير الخطية باستخدام العامل K:
قد يؤدي التثبيت النموذجي لمحرك سداسي النبضات بدون تخفيف إلى ظهور عامل K لـ 4 إلى 8 اعتمادا على مستوى الحمل ومقاومة النظام [6][9].
تحميل موصل محايد
التوافقيات الثلاثية هي تسلسل صفري وتدور بحرية في الموصل المحايد للأنظمة ذات الأسلاك الأربعة. يمكن للتركيبات التي تجمع بين VFDs والأحمال غير الخطية أحادية الطور أن تنتج تيارات محايدة كبيرة عند التوافقي الثالث والتاسع. يجب أن يكون حجم الموصل المحايد وفقًا لذلك [9].
اعتبارات المحرك والحمل المتصل
توافقيات التسلسل السلبي – الخامس, 11ال, 17ال وما فوق بعد \(6k-1\) النمط - إنتاج مجالات مغناطيسية متعاكسة الدوران في فجوة الهواء, توليد عزم دوران الكبح وارتفاع درجة حرارة الدوار. محركات ذات تصنيف عاكس تتوافق مع جزء NEMA MG1 31 أو اللجنة الانتخابية المستقلة 60034-25 دمج ميزات التصميم التي تعمل على تحسين التسامح مع المحتوى التوافقي وهي الخيار الموصى به لجميع تطبيقات VFD. معالجة مفصلة للمقاومة التوافقية الحركية, آليات فقدان الدوار, ومنهجية deering محجوزة لمقالة لاحقة في هذه السلسلة.
استراتيجيات التخفيف
يتم ضبط تردد الضبط للمرشح السلبي بشكل متعمد أسفل التوافقي المستهدف لتجنب الرنين المتسلسل:
| التخفيف | THD نموذجي عند التحميل الكامل |
|---|---|
| لا يوجد تخفيف | 35 - 45% |
| 3% مفاعل خط التيار المتردد | 20 - 25% |
| 5% مفاعل خط التيار المتردد | 15 - 20% |
| اختناق حافلة العاصمة | 20 - 28% |
| مرشح سلبي 5/7 | 8 - 12% |
| 18-محرك النبض | 5 - 8% |
| الواجهة الأمامية النشطة (أف) | < 5% |
05 اعتبارات القياس وتفسير النتائج الميدانية
متطلبات الصك
يتطلب القياس التوافقي وجود محلل لجودة الطاقة قادر على تحليل المكونات التوافقية الفردية إلى الترتيب الخمسين على الأقل, تنفيذ DFT متزامن مع نافذة مستطيلة بالضبط 10 دورات (200 مللي في 50 هرتز) على النحو المحدد من قبل اللجنة الانتخابية المستقلة 61000-4-7 [10]. تُفضل ملفات Rogowski بشكل عام للعمل التوافقي فوق الترتيب 25 نظرًا لاستجابتها الترددية الفائقة وغياب التشبع الأساسي.
اختيار نقطة القياس
لتقييم الامتثال ضد IEEE 519 [2] أو اللجنة الانتخابية المستقلة 61000-3-6 [3], يجب إجراء القياس في PCC كما هو محدد في تلك المعايير. يوفر التسجيل في وقت واحد عند مدخل محرك الأقراص وPCC معلومات مباشرة حول المعاوقة التوافقية للشبكة المتداخلة - وهو أمر مفيد لتقييم مخاطر الرنين.
حالة التشغيل أثناء القياس
IEC 61000-3-6 توصي بأن يستند التقييم التوافقي إلى النسبة المئوية الخامسة والتسعين من القيم المقاسة خلال فترة مراقبة تمثيلية - عادةً أسبوع واحد [3]. عندما لا تكون المراقبة المستمرة عملية, يجب إجراء القياسات عند ثلاث نقاط تحميل على الأقل تمتد لنطاق التشغيل المتوقع.
Interharmonics
قد تولد VFDs الحديثة تيارات متداخلة — مكونات ذات مضاعفات غير صحيحة للأساسيات — خاصة أثناء منحدرات السرعة وظروف التشغيل العابرة. IEC 61000-4-7 يحدد منهجية القياس باستخدام تحليل المجموعة الفرعية مع أ 200 نافذة مللي [10]. وتجدر الإشارة إلى وجودها لأنها يمكن أن تساهم في وميض, تدخل التحكم في التموج, وتذبذبات عزم الدوران شبه المتزامنة.
دراسات الانبعاثات والامتثال لحدود المنفعة
لن تقبل معظم المرافق القياسات الميدانية وحدها كأساس للموافقة على الاتصال أو عرض الامتثال. دراسة التأثير التوافقي الرسمي, يتم إجراؤها وفقًا للمنهجية المقبولة للمرفق وتقديمها قبل التشغيل, هو المطلب القياسي في غالبية الولايات القضائية [2][3]. إن حاجة المرافق إلى تقييم التأثير التراكمي على جميع العملاء المتصلين بنفس الشبكة أمر أساسي بالنسبة للجنة الكهروتقنية الدولية (IEC). 61000-3-6 نطاق, الذي يخصص حدود الانبعاثات بناءً على الطاقة المتفق عليها للتركيب بالنسبة لقدرة الدائرة القصيرة للشبكة [3].
اختتام
المثالي \(1/n\) نموذج السعة يحرف بشكل منهجي الطيف التوافقي لمحرك 6 نبضات حديث يتم تغذيته بمكثف. تعتبر التوافقيات المميزة ذات الترتيب الأدنى أكثر حساسية للتحميل مما يتنبأ به النموذج; تتدحرج التوافقيات ذات الترتيب الأعلى بشكل أسرع. يحدث التقاطع بالقرب من التوافقي 11-13. THD يختلف من حوالي 22% في حمولة كاملة ل 45% أو أكثر عند 25% التحميل - نطاق يمتد عبر الحدود بين المتوافق وغير المتوافق للعديد من اتفاقيات توصيل المرافق.
ينهار تمثيل محرك سداسي النبضات كمصدر تيار توافقي مثالي في وجود اختلاف في مقاومة العرض, تشويه الجهد الخلفية, رنين الشبكة, والتفاعل متعدد المحركات. يوفر مكافئ Norton وصفًا أكثر دقة, والاعتماد على التردد لكليهما \(Z_h(ح)\) و \(Z_\text{نظام}(ح)\) يجب أن تؤخذ في الاعتبار في أي تحليل دقيق.
لدراسات الامتثال المقدمة إلى المرافق الكهربائية, من غير المرجح أن يتم قبول القياس الميداني وحده. إن دراسة التأثير التوافقي الرسمية هي المتطلب القياسي. High-fidelity simulation tools produce spectra significantly closer to measured field values, الحد من مخاطر تدابير التخفيف غير الضرورية وحلول التصفية المفرطة في التصميم. النهج ثلاثي المراحل – الفحص النظري, محاكاة عالية الدقة, وقياس ما بعد التشغيل - يوفر إطارًا متناسبًا ويمكن الدفاع عنه تقنيًا عبر دورة حياة المشروع الكاملة.
المراجع
- موهان, N., أوندلاند, تي إم., روبنز, دبليو بي., إلكترونيات القوى: المحولات, التطبيقات والتصميم, 3الطبعة الثالثة., جون وايلي & أبناء, 2003.
- IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 519-2022, معيار IEEE للتحكم التوافقي في أنظمة الطاقة الكهربائية, IEEE, 2022.
- IEC 61000-3-6:2008, التوافق الكهرومغناطيسي - الحدود - تقييم حدود الانبعاثات لتوصيل المنشآت المشوهة بالجهد المتوسط, أنظمة الطاقة ذات الجهد العالي والجهد العالي, IEC, 2008.
- Arrillaga, J., واتسون, ن.ر., التوافقيات نظام السلطة, 2الطبعة الثانية., جون وايلي & أبناء, 2003.
- عريض, أنا., نسر, S. A., دليل آلة الحث, لجنة حقوق الطفل الصحافة, 2002.
- سكيبينسكي, G., رجل الكنيسة, R., شليغل, د., “انبعاثات EMI لمحركات PWM AC الحديثة,” مجلة تطبيقات الصناعة IEEE, طيران. 5, لا. 6, ص. 47-81, 1999.
- روكويل أتمتة, التوافقيات و IEEE 519, دليل التطبيق DRIVES-AP001A, 2013.
- موريرا, قبل الميلاد, ليبو, ت., “نمذجة آلات التيار المتردد المشبعة بما في ذلك المكونات التوافقية لتدفق فجوة الهواء,” المعاملات IEEE على تطبيقات الصناعة, طيران. 28, لا. 2, ص. 343-349, 1992.
- دوجان, آر سي., McGranaghan, م.ف., سانتوسو, S., بيتي, الأب., جودة أنظمة القوى الكهربائية, 3الطبعة الثالثة., ماكجرو هيل, 2012.
- IEC 61000-4-7:2002+A1:2008, التوافق الكهرومغناطيسي - تقنيات الاختبار والقياس - الدليل العام للقياسات والأجهزة التوافقية والتوافقية, IEC, 2008.
- IEC 61000-4-30:2015, التوافق الكهرومغناطيسي – تقنيات الاختبار والقياس – طرق قياس جودة الطاقة, IEC, 2015.
تمت صياغة المحتوى بمساعدة الذكاء الاصطناعي وتم التحقق من صحته بواسطة المؤلف بناءً على 30 سنوات من الخبرة في مجال جودة الطاقة.
