Усина С. Исследование гармонического состава тока регулируемого трехфазного выпрямителя

ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

Утверждаю Зав. кафедрой ЭТПТ

____________ Кудряш М.Н. «___»______________2025 г.

Тема работы: Исследование гармонического состава тока регулируемого

трехфазного выпрямителя

Место выполнения ВКР: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», каф.ЭТПТ

Исходные данные (технические требования):

Схемы выпрямителей – трехфазный мост (выпрямитель Ларионова), трехфазный полумост (выпрямитель с общей точкой), моделирование на лабораторном стенде «Источники питания ЭТУ», анализатор качества электроэнергии.

Содержание ВКР:

Обзор схем выпрямителей, Обзор нормативной базы, Проведение измерений показателей качества электроэнергии в разных режимах работы выпрямителей, Сравнительный анализ влияния выпрямителей на питающую сеть, Обеспечение безопасности жизнедеятельности.

Перечень отчетных материалов: текст ВКР, иллюстративный материал, презентация в формате PowerPoint.

Дополнительные разделы: Безопасность жизнедеятельности

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ

3

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 81 стр., 45 рис., 4 табл., 16 ист., 0 прил. Ключевые слова: управляемый выпрямитель; качество электроэнергии;

гармонический состав тока.

Объектом исследования является гармонический состав тока, потребляемого управляемым трехфазным выпрямителем.

Цель работы – исследовать гармонический состав тока управляемого выпрямителя и оценить его возможное влияние на гармонический состав напряжения питающей сети.

В ходе работы были смоделированы на лабораторном стенде две схемы выпрямителей и проведены измерения параметров их работы при изменении угла регулирования тиристоров выпрямителя. После чего были получены зависимости показателей качества электроэнергии от угла регулирования выпрямителя. Выявлены режимы работы, в которых выпрямитель может оказывать максимальное влияние на форму (и гармонический состав) напряжения сети. Кроме того, в ходе исследования изменялся характер нагрузки (активная/активноиндуктивная).

4

ABSTRACT

The aim of the study is to investigate the harmonic content of the current in a controlled rectifier and evaluate its potential impact on the harmonic composition of the supply network voltage.

During the study, two rectifier circuits were modeled on a laboratory test bench, and measurements of their operational parameters were carried out while varying the thyristor firing angle of the rectifier. The research established the relationships between power quality indicators (e.g., harmonics, voltage distortion) and the rectifier’s firing angle. Operating modes were identified in which the rectifier can exert the most significant influence on the waveform (and harmonic composition) of the grid voltage. Additionally, the nature of the load was varied during the experiments (resistive vs. resistive-inductive) to analyze its impact on system behavior.

5

СОДЕРЖАНИЕ

7

ВВЕДЕНИЕ

Цель исследования – изучить гармонический состав тока регулируемых трехфазных выпрямителей и проанализировать их влияние на напряжение питающей сети.

В большинстве современных силовых схем, где требуется регулируемое переменное напряжение (приводы, источники бесперебойного питания), используется технология двойного преобразования напряжения и связка «выпрямитель – инвертор». Другими словами, переменное напряжение сети преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя, после чего инвертор снова преобразует постоянное напряжение в переменное.

Регулировка напряжения происходит благодаря управляемому выпрямителю – меняя угол открытия тиристоров, меняется и средневыпрямленное значение напряжения. Однако такой принцип работы неизбежно приводит к нелинейному характеру потребления тока из сети, что в свою очередь вызывает значительные искажения формы напряжения и тока. Эти искажения проявляются в виде высших гармоник, которые распространяются по питающей сети и могут негативно влиять на работу другого подключенного оборудования, увеличивать потери в линиях электропередачи и ухудшать общие показатели качества электроэнергии.

Таким образом, в условиях широкого применения трехфазных регулируемых выпрямителей особую значимость приобретает вопрос исследования их влияния на качество электроэнергии в питающих сетях.

Задача данного экспериментального исследования – выявить наиболее критичные режимы работы выпрямителей, при которых наблюдается максимальное негативное воздействие на питающую сеть, а также установить оптимальные режимы, позволяющие минимизировать это влияние. Помимо этого, необходимо предложить методы подавления гармонических искажений.

8

1.ОБЗОР ИССЛЕДУЕМЫХ В РАБОТЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ СХЕМ

1.1. Трехфазная регулируемая схема выпрямителя со средней точкой

Принципиальная электрическая схема трехфазного регулируемого выпрямителя со средней точкой изображена на рисунке 1.1, где:

А, B, C – фазы питающей сети;

Т – преобразовательный трансформатор;

a, b, c – фазы вторичной обмотки трансформатора; VS1, VS2, VS3 – полупроводниковые тиристоры; Rн – резистор (активная нагрузка).

Рисунок 1.1 – Принципиальная электрическая схема трехфазной регулируемой схемы выпрямителя со средней точкой

Схема состоит из преобразовательного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена звездой, при этом первичная обмотка может соединяться как звездой, так и треугольником. В приведенной на рисунке схеме к выводам вторичных обмоток трехфазного трансформатора подключены три полупроводниковых тиристора. Нагрузка является чисто активной и присоединяется к цепи между общей точкой, в которой сходятся катоды тиристоров, и нейтралью трансформатора.

Рассмотрим принцип работы такой схемы при наиболее простом режиме работы выпрямителя, а именно – при угле открытия тиристоров α = 0°. При та-

9

ком режиме, принцип работы данного выпрямителя аналогичен принципу работы неуправляемого выпрямителя, состоящего из диодов. Суть работы схемы состоит в поочерёдном открытии тиристоров в моменты, когда фазное напряжение соответствующей обмотки становится наибольшим. Каждый тиристор проводит ток в течение 120° (2π/3 радиан) периода питающего напряжения. В каждый конкретный момент времени ток протекает через тот вентиль, на аноде которого наблюдается наибольший положительный потенциал относительно нейтрали трансформатора. Процесс переключения между вентилями происходит в точках, где синусоиды соответствующих фазных напряжений пересекаются, что обеспечивает естественное переключение. В дальнейшем, в данной работе эти точки будут называться точками естественной коммутации. Кривая выпрямленного напряжения Uн может быть получена как огибающая синусоид фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

На рисунке 1.2 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип действия идеализированного трехфазного выпрямителя со средней точкой при угле открытия тиристоров α = 0°:

Рисунок 1.2 – Временные диаграммы фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и выпрямленного напряжения на чисто активной нагрузке для

трехфазной схемы со средней точкой при угле открытия тиристоров α = 0° 10