Dlaczego APF wzmacnia harmoniczne obciążenia?

Na pierwszy rzut oka niektórzy mogą wątpić w tytuł, zastanawiając się, czy nie ma w nim błędu. Tradycyjnie uważa się, że aktywne filtry mocy (APF) łagodzą harmoniczne i redukują składowe harmoniczne w sieci dystrybucyjnej, więc w jaki sposób mogą wzmacniać harmoniczne obciążenia? Dobrze przeczytaliście i ja też się nie pomyliłem. APF rzeczywiście redukują harmoniczne, ale także je wzmacniają. Redukują harmoniczne płynące do sieci i wzmacniają harmoniczne pochodzące od strony obciążenia! Bez zrozumienia tego nie da się poprawnie skonfigurować pojemności APF i bezpiecznie z niej korzystać. Poniżej postaram się wyjaśnić to ciekawe zjawisko.

Powyższy schemat ilustruje typowe obciążenie nieliniowe podłączone do sieci dystrybucyjnej. Na schemacie Ls reprezentuje równoważną impedancję wewnętrzną transformatora sieci dystrybucyjnej, L1 jest impedancją wejściową obciążenia nieliniowego, a punkt połączenia APF znajduje się pomiędzy Ls i L1. Przy stałym obciążeniu wielkość harmonicznych obciążenia jest bezpośrednio powiązana z sumą Ls i L1; im większe Ls + L1, tym mniejsze harmoniczne obciążenia i odwrotnie. Gdy APF nie jest podłączony, impedancja wejściowa dla harmonicznych obciążenia wynosi Ls + L1. Jednak po podłączeniu APF i teoretycznie zmniejszeniu wszystkich harmonicznych płynących do transformatora rozdzielczego, idealne trójfazowe źródło napięcia dla harmonicznych przesuwa się do położenia środkowego między Ls i L1. W tym momencie impedancja wejściowa harmonicznych obciążenia wynosi L1, więc harmoniczne-po stronie obciążenia będą wzmacniane synchronicznie, a wielkość wzmocnienia będzie prawie równa (Ls + L1) / L1.

W oparciu o powyższą analizę połączenie APF zasadniczo wzmacnia harmoniczne po stronie obciążenia. Gdy Ls i L1 są w przybliżeniu równe, wzmocnienie harmoniczne jest znaczące. Ponieważ reaktancja wejściowa obciążenia typowej przetwornicy częstotliwości jest porównywalna z impedancją wewnętrzną transformatora rozdzielczego, skonfigurowanie APF w celu tłumienia wejściowych harmonicznych nadal będzie skutkować zauważalnym wzmocnieniem wejściowych harmonicznych przetwornicy częstotliwości. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku niektórych przetwornic częstotliwości-dużej mocy, które nie wykorzystują cewki wejściowej, zamiast tego wykorzystują impedancję wewnętrzną równoważną transformatorowi jako indukcyjność wejściową. W tym przypadku teoretycznie po zastosowaniu APF do tłumienia harmonicznych wejściowych przetwornicy częstotliwości, harmoniczne prądu wejściowego obciążenia (tj. przetwornicy częstotliwości) staną się nieskończone, co oznacza, że ​​całkowity prąd wejściowy stanie się nieskończony, co może spowodować uszkodzenie przetwornicy częstotliwości. W praktyce obserwacja napięcia sieciowego w punkcie przyłączenia APF ujawnia poważny liniowy spadek i wzrost napięcia, które mogą nawet uszkodzić inne urządzenia w sieci! Dlatego w takich sytuacjach należy podłączyć szeregowo z przetwornicą częstotliwości dodatkową reaktancję wejściową.

Wracając do początkowego pytania dotyczącego wzmocnienia harmonicznych obciążenia powodowanych przez połączenie APF, wzmocnienie to należy w pełni uwzględnić podczas konfigurowania wydajności APF. Rzeczywista wydajność APF powinna wynosić co najmniej (Ls+L1)/L1 razy wielkość harmonicznych przed podłączeniem APF, aby zapewnić, że APF ma wystarczającą wydajność, aby złagodzić harmoniczne przepływające do sieci z obciążenia. W przypadku obciążeń falownika o bardzo niskiej impedancji wejściowej, np. bez reaktancji wejściowej, reaktancję należy podłączyć szeregowo pomiędzy punktem połączenia APF a obciążeniem. Wartość reaktancji należy ogólnie uważać za co najmniej 3% współczynnika reaktancji, a następnie wydajność konfiguracji APF należy obliczyć na podstawie stosunku Ls do indukcyjności szeregowo-połączonej reaktancji wejściowej.