THD и ITHD в конструкции привода PMSM и BLDC

1. THD (полный коэффициент гармонических искажений)

• Определение: THD — это отношение суммы мощностей (или среднеквадратических значений) всех гармонических компонентов к мощности (или среднеквадратичному значению) основного частотного компонента сигнала. Обычно выражается в процентах (%).

• Область применения: THD — это общий термин, который может относиться к искажению формы волны напряжения (THDv) или формы волны тока (THDi). Если не указано иное, контекст обычно диктует, какой из них имеется в виду.

  • Для аудиоусилителей или выходов источников питания/инверторов «THD» обычно относится к искажению напряжения (THDv) выходного сигнала.

• Значимость: более низкое значение THD указывает на то, что форма сигнала ближе к чистой синусоиде, что означает меньшие искажения.

  • Аудиооборудование: низкий коэффициент гармонических искажений (напряжение) имеет решающее значение для высококачественного воспроизведения звука, то есть выходной звук очень близок к оригинальной записи без добавления нежелательных тонов.

  • Источники питания/инверторы: низкий коэффициент гармонических искажений (напряжение) на выходе переменного тока означает лучшее качество электроэнергии, что снижает вероятность возникновения проблем с подключенными приборами.

​

2. ITHD (полный коэффициент гармонических искажений тока)

• Определение: ITHD конкретно относится к общему коэффициенту гармонических искажений формы тока. Он измеряет отношение среднеквадратичного значения всех гармонических токов к среднеквадратичному значению основного тока, выраженное в процентах. Часто обозначается как THDi или THD-I.

• Область применения: измерение искажений, присутствующих в токе, потребляемом электронным устройством от источника питания (например, от электросети) или вводимом в сеть.

• Значимость: ITHD имеет решающее значение для оценки влияния электронных устройств, особенно нелинейных нагрузок, на качество электроэнергии.

  • Нелинейные нагрузки (например, импульсные блоки питания (ИБП) в компьютерах и зарядных устройствах, выпрямители, частотно-регулируемые приводы (ЧРП), светодиодные драйверы, диммеры) потребляют ток, который не является синусоидальным, даже если напряжение питания представляет собой идеальную синусоиду. Этот искаженный ток содержит значительные гармоники.

  • Последствия высокого ITHD:

    • Гармонические токи возвращаются в электросеть, потенциально искажая напряжение в сети и влияя на других пользователей.

    • Повышенный нагрев и потери в проводке, трансформаторах и нейтральных проводниках.

    • Возможные помехи в работе систем связи.

    • Снижение общего коэффициента мощности.

    • Возможное ложное срабатывание автоматических выключателей.

• Стандарты: Регулирующие органы и стандарты (например, IEEE 519) часто налагают ограничения на величину гармонического тока (и, следовательно, ITHD), который оборудованию разрешено подавать в электросеть для поддержания стабильности и качества сети.

​

Источники гармоник в приводах PMSM и BLDC

Возникновению гармоник в приводах PMSM и BLDC способствуют несколько факторов:

• Переключение инвертора: Основным источником гармоник является переключение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора. Частота переключения и конкретная стратегия ШИМ напрямую влияют на спектр гармоник.

• Время простоя: Необходимое время простоя между сигналами переключения в ветвях инвертора для предотвращения коротких замыканий также вносит искажения формы сигнала и генерирует гармоники.

• Неидеальные компоненты: Неидеальные характеристики силовых электронных переключателей, пассивных компонентов и сенсорных цепей могут способствовать возникновению гармонических искажений.

• Конструкция двигателя (особенно для BLDC): Трапециевидная форма волны обратной ЭДС типичного двигателя BLDC, в отличие от более синусоидальной обратной ЭДС PMSM, естественным образом приводит к различным гармоническим характеристикам тока при управлении с помощью стандартных методов коммутации. Даже в PMSM пространственные гармоники в магнитном поле могут способствовать гармоникам тока.

• Стратегия управления: Конкретные алгоритмы управления, используемые для привода двигателя, также могут влиять на гармонический состав напряжения и тока.

​

Влияние THD и ITHD на производительность двигателей PMSM и BLDC

Высокие уровни THD и ITHD оказывают ряд негативных последствий на производительность двигателей PMSM и BLDC, а также на всю систему привода:

• Пульсация крутящего момента: Гармонические токи взаимодействуют с магнитным полем двигателя, создавая нежелательные пульсации крутящего момента. Эта пульсация крутящего момента может привести к вибрации, акустическому шуму и снижению точности управления, что особенно критично в приложениях, требующих плавного управления движением. Двигатели BLDC из-за их трапециевидной обратной ЭДС и обычно 120-градусной коммутации по своей природе более восприимчивы к пульсации крутящего момента от гармоник, чем PMSM, работающие на синусоидальном токе.

• Увеличение потерь и снижение эффективности: Гармонические токи вызывают дополнительные потери в меди (потери I2R) в обмотках двигателя из-за увеличения среднеквадратичного значения тока. Они также способствуют увеличению потерь в железе (потери на вихревые токи и гистерезис) в сердечнике статора. Эти дополнительные потери приводят к снижению эффективности двигателя и повышению рабочей температуры, что потенциально сокращает срок службы двигателя.

• Перегрев: Увеличение потерь из-за гармоник приводит к повышению рабочих температур как двигателя, так и силовых электронных компонентов привода. Это может привести к напряжению изоляционных материалов и преждевременному выходу из строя.

• Акустический шум и вибрация: пульсации крутящего момента и гармонические токи способствуют повышению акустического шума и механической вибрации в двигателе и приводимой системе.

• Электромагнитные помехи (ЭМП): быстрые фронты переключения и гармонический состав напряжения и тока могут создавать электромагнитные помехи, потенциально влияющие на другое чувствительное электронное оборудование.

• Снижение качества электроэнергии: с точки зрения источника питания высокий ITHD означает, что привод двигателя потребляет искаженный ток, что может негативно повлиять на качество напряжения для других подключенных нагрузок в той же электрической сети. Вот почему такие стандарты, как IEEE 519, устанавливают ограничения на гармонические искажения, возвращаемые обратно в сеть.

​

Стратегии смягчения последствий

Для минимизации негативного влияния THD и ITHD в конструкциях приводов PMSM и BLDC применяются различные методы смягчения, аналогичные тем, которые используются в обычных электроприводах, но иногда с учетом особенностей типа двигателя:

• Расширенные методы ШИМ: реализация сложных стратегий ШИМ (например, пространственно-векторной модуляции для PMSM) может оптимизировать схемы переключения для снижения определенных гармоник.

• Фильтрация: включение индукторов переменного тока на входной стороне (линейные реакторы) или выходной стороне (двигательные реакторы) инвертора, а также использование более сложных пассивных или активных фильтров может помочь ослабить гармонические токи.

• Многоуровневые инверторы: использование топологий многоуровневых инверторов позволяет создавать формы напряжения с более низким содержанием гармоник по сравнению со стандартными двухуровневыми инверторами.

• Улучшения алгоритма управления: внедрение стратегий управления, которые активно компенсируют или подавляют гармоники, может повысить производительность.

В заключение, THD и особенно ITHD являются существенными проблемами в конструкции привода PMSM и BLDC. Переключающая природа инвертора является основной причиной этих гармоник, которые в свою очередь приводят к нежелательным эффектам, таким как пульсация крутящего момента, снижение эффективности и увеличение нагрева и шума. Тщательное проектирование, включая соответствующие стратегии ШИМ, фильтрацию и потенциально передовые методы управления, имеет важное значение для управления гармоническими искажениями и обеспечения оптимальной производительности и надежности систем привода PMSM и BLDC.