Материал: s_electro

несинусоидального тока I1, которым эквивалентирован вентильный преобразователь.

Наличие нелинейной нагрузки в сети в виде вентильного преобразователя создает следующие проблемы:

1. Искажается форма напряжения в сети uс, так как

что при несинусоидальности тока i1 приведет к несинусоидальности напряжения сети uc. Несинусоидальное напряжение сети окажет свое негативное влияние и на «хороших» (линейных) потребителей электрической энергии, эквивалентированных сопротивлением Zн.

2.Появляются дополнительные потери активной мощности в элементах сети от высших гармоник тока, что может вызвать перегрев этих элементов (трансформаторов, косинусных конденсаторов, электрических машин).

3.Возникают перенапряжения в сети из-за резонансных явлений при совпадении частот гармоник первичного тока вентильного преобразователя с собственными резонансными частотами электрической сети, в действительности являющейся системой с распределенными LC-параметрами. Эти перенапряжения могут вызывать ложные защитные отключения или выход элементов сети из строя.

В целом указанные проблемы (и ряд других) относятся к проблемам электромагнитной совместимости в электрических сетях. Под

электромагнитной совместимостью электротехнических устройств,

связанных общей сетью, принято понимать их способность нормально функционировать в реальных условиях эксплуатации при наличии непреднамеренных помех в питающей сети и при этом не создавать недопустимых электромагнитных помех в сети для других устройств [20].

Для расчета спектральным методом показателей, характеризующих степень обратного влияния вентильного преобразователя на питающую сеть, необходимо знать спектральный состав входного тока вентильных преобразователей. Чтобы

ходимо выполнить спектральный анализ

143

сразу в общем виде. Это можно сделать, используя закон связи первичного тока с анодными токами (закон Чернышева).

На рис. 3.6.2 показана форма анодного тока вентиля при допущении Хd = ∞, Xa = 0.

Амплитуда гармоники n-го порядка ряда Фурье этой кривой равна

и выражение для мгновенного значения гармоники

где n – номер гармоники по отношению к частоте питающей сети.

Тогда мгновенное значение гармоники n-го порядка первичного тока вентильного преобразователя в соответствии с дискретной формой (3.5.4) закона Чернышева, действительного и для отдельных гармоник (в силу линейности связи i1 и in), равно для h-й входной фазы

Суммы косинусоид одинаковой частоты, но с различными фазовыми сдвигами m2-фазной звезды векторов рис. 3.6.3,а, отличны от нуля только в том случае, если все векторы m2- фазной системы синфазны, как показано на рис. 3.6.3,б.

144

аб

Рис. 3.6.3

Это возможно при условии (для определенности h = 1) (n – 1)(2π/m2) = 2π k,

(n + 1)( 2π/m2) = 2π k.

В результате имеем для номеров гармоник n в первичном токе

где k – целые положительные числа (k = 2, 3, 4 ...).

Переход от схем однополупериодного выпрямления (q = 1) к схемам двухполупериодного выпрямления (q = 2) приводит, как показано выше, к удвоению частоты коммутаций в преобразователе, а значит, к уменьшению в два раза интервалов времени между коммутациями. Такой же эффект оказывает и увеличение числа вторичных фаз трансформатора.

Значит, соотношение (3.6.5) можно обобщить за счет учета полупериодности, и оно примет вид (p = qm2 – пульсность)

В первичном токе любого выпрямителя присутствуют только гармоники, порядок которых определяется по (3.6.6). Например, для трехфазной мостовой схемы и схемы с уравнительным реактором, у которых p = 6, в первичном токе кроме первой будут гармоники по-

рядка 5, 7, 11, 13, 17, 19 ... .

Из соотношений (3.6.2) и (3.6.4) следует, что относительная величина высших гармоник в долях первой гармоники будет

145

Знак свидетельствует о синфазности или противофазности соответствующей гармоники по отношению к первой. С ростом номера гармоник их относительное значение монотонно уменьшается.

На основании спектрального анализа первичных токов трансформаторов выпрямителей и зависимых инверторов можно сделать следующие выводы:

•с ростом пульсности схем преобразования электроэнергии растут частоты высших гармоник первичного тока и уменьшается их относительная величина, т. е. форма тока приближается к синусоидальной, в пределе при бесконечно большой пульсности первичный ток становится синусоидальным;

•введение угла регулирования α(β) при допущении Хd = ∞ не изменяет ни частот гармоник, ни их относительных величин, приводя только к их сдвигу по фазе соответственно для n-х гармоник на угол

ϕ(n)=nα по отклонению к кривой напряжения сети. Это вызывает увеличение потребления из сети реактивной мощности, пропорциональной sin ϕ(1) и вследствие этого снижение (ухудшение) коэффициента мощности, как будет показано в разделе 3.10;

• учет угла коммутации γ, устраняя скачки в кривой первичного тока, не изменяет номеров гармоник в ней, но уменьшает относительные величины высших гармоник из-за улучшения формы первичного тока. Точный учет влияния коммутации на ток из-за сложного (нелинейного) характера изменения тока на интервалах коммутации (см, раздел 3.1) приводит к громоздким формулам для гармоник тока [8]. Аппроксимация тока на интервалах коммутации линейной зависимостью (прямой) позволяет получать более простые формулы для гармоник тока с погрешностью в несколько процентов [42 ].

3.7. СПЕКТРЫ ВЫПРЯМЛЕННОГО И ИНВЕРТИРУЕМОГО НАПРЯЖЕНИЙ ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Нахождение спектра выпрямленного напряжения, являющееся целью данного раздела, необходимо для расчета выходного фильтра выпрямителя и для оценки показателей качества выпрямленного на-

146

пряжения, через которые определяется ущерб в нагрузке от искаженного качества преобразованной энергии.

В кривой выпрямленного напряжения, показанной на рис. 3.7.1, будут присутствовать и синусные и косинусные составляющие ряда Фурье. Тогда, расположив начало отсчета в максимуме выпрямляемого напряжения u2′ , определяемого как

Рис. 3.7.1

получаем для действующего значения гармоники n-го порядка синусной части ряда Фурье выпрямленного напряжения

Здесь k – номер гармоники в выпрямленном напряжении по отношению к его периоду и

147