Усина С. Исследование гармонического состава тока регулируемого трехфазного выпрямителя

Поскольку в данной схеме нагрузка является чисто активной, то кривая тока на нагрузке iн будет в точности повторять форму кривой напряжения Uн.

В управляемых трехфазных выпрямителях угол управления α отсчитывается от точек естественной коммутации. На рисунке 1.3 изображены временные диаграммы при угле открытия тиристоров > 0°:

Рисунок 1.3 – Временные диаграммы напряжений:

а – фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора; б – напряжение на чисто активной нагрузке при 0 < α < 30°; в – напряжение на чисто активной нагрузке при α > 30°; г – напряжение на активно-индуктивной нагрузке

при α > 30°

11

Изменяя угол α можно управлять средним значением напряжения на нагрузке. При этом можно выделить две принципиально разные области работы, разделенные критическим значением угла α = 30° (π/6) – прерывистый и непрерывный режимы работы выпрямителя.

Непрерывный режим работы находится в диапазоне 0° < α < 30° (см. рисунок 1.3 б). В этом диапазоне углов управления каждый последующий тиристор успевает включиться до того, как ток через предыдущий тиристор упадет до нуля. Это объясняется тем, что при таких углах управления момент включения очередного тиристора наступает раньше, чем напряжение на работающем тиристоре становится меньше напряжения на включаемом. В результате в кривой выпрямленного тока отсутствуют нулевые паузы, и ток нагрузки никогда не прерывается.

При превышении угла управления равного 30° в кривой выпрямленного тока появляются паузы, во время которых мгновенное значение тока равно нулю. Данный режим работы называется прерывистым (см. рисунок 1.3 в). В этом режиме форма тока нагрузки становится прерывистой, состоящей из отдельных импульсов, разделенных нулевыми паузами. Длительность этих пауз увеличивается с ростом угла α. Для активно-индуктивной нагрузки (рисунок 1.4) паузы могут быть менее выражены или даже отсутствовать при достаточной величине индуктивности, поддерживающей ток. В кривой выпрямленного напряжения Uн

появляются интервалы, когда оно принимает отрицательные значения (см. рисунок 1.3 г). Во время действия положительного напряжения энергия запасается в магнитном поле дросселя, а при отрицательном напряжении индуктивность «отдает» накопленную энергию, вследствие чего возникающая ЭДС самоиндукции поддерживает ток через тиристор.

12

Рисунок 1.4 – Принципиальная электрическая схема трехфазного выпрямителя со средней точкой при активно-индуктивной нагрузке

К достоинствам данной схемы можно отнести простоту конструкции за счет малого количества полупроводниковых вентилей (всего три), а также относительно высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения (три частоты питающей сети), что, в некоторых случаях, позволяет использовать данную схему без фильтров.

При этом трехфазные выпрямительные схемы со средней точкой имеют существенный недостаток, влияющий на работу трансформатора. Поскольку токи тиристоров будут одновременно и токами вторичных обмоток трансформатора, то через каждую вторичную обмотку трансформатора протекает ток, содержащий постоянную составляющую величиной в одну треть от выпрямленного тока (iн/3). Это прямое следствие однополупериодного принципа работы данной схемы, при котором каждая обмотка проводит ток только в течение 120 градусов периода, формируя последовательность однополярных импульсов. Постоянная составляющая тока в обмотках создает в магнитопроводе постоянный магнитный поток подмагничивания. Такой режим работы вызывает несколько негативных эффектов. Во-первых, существенно уменьшается запас по магнитной индукции до точки насыщения. Во-вторых, появляются дополнительные потери в стали. В-третьих, возникает несимметрия в намагничивающих силах. Для компенсации этих явлений приходится принимать специальные

13

конструктивные меры. Наиболее распространенное решение – это увеличение сечения магнитопровода, позволяющее «отодвинуть» точку насыщения. Однако это неизбежно ведет к увеличению массы и габаритов трансформатора.

В следующем разделе данной главы будет рассмотрена мостовая схема выпрямителя, которая, в отличие от схемы со средней точкой, не имеет такого недостатка и имеет ряд других преимуществ. В таких схемах благодаря двухполупериодному режиму работы среднее значение тока через каждую обмотку равно нулю, что исключает явление подмагничивания. Это позволяет использовать более компактные и легкие трансформаторы при той же выходной мощности, что является одним из ключевых преимуществ мостовых схем перед схемами со средней точкой.

1.2. Трехфазная регулируемая мостовая схема выпрямителя

Трехфазная мостовая схема выпрямителя, также известная как схема Ларионова, является одной из наиболее распространенных схем. В том числе, она применяется во многих электротехнологических установках, установленных на кафедре ЭТПТ. Данная схема характерна использованием шести вентилей, обеспечивающих двухполупериодное выпрямление напряжения. Кроме того, схема допускает соединение первичных и вторичных обмоток трансформатора как звездой, так и треугольником.

На рисунке 1.5 изображена электрическая схема, где: А, B, C – фазы питающей сети;

Т – преобразовательный трансформатор;

a, b, c – фазы вторичной обмотки трансформатора;

VS1, VS3, VS5 – полупроводниковые тиристоры, образующие катодную группу (имеют общую точку соединения катодов);

VS2, VS4, VS6 – полупроводниковые тиристоры, образующие анодную группу (имеют общую точку соединения анодов);

14

Rн – резистор (активная нагрузка).

Рисунок 1.5 – Принципиальная электрическая схема регулируемой мостовой схемы с активной нагрузкой

Тиристоры VS1, VS3, VS5 образуют катодную группу, а тиристоры VS2, VS4, VS6 – анодную группу. В любой момент времени ток течет через два тиристора, один из которых относится к катодной группе, а другой – к анодной. Причем в катодной группе пропускает ток тиристор с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора, в анодной группе – с наиболее низким потенциалом катода. Порядок работы тиристоров

На рисунке 1.6 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие работу трехфазной мостовой схемы выпрямителя при угле открытия тиристоров α = 0°. При нулевом угле управления (α = 0°) каждый тиристор открывается в момент естественной коммутации, когда линейное напряжение между соответствующей парой фаз достигает максимума.

15

Рисунок 1.6 – Временные диаграммы фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и выпрямленного напряжения для трехфазной мостовой схемы при угле открытия тиристоров α = 0°

Управляющие сигналы, открывающие тиристоры, подаются в последовательности VS1–>VS6–>VS3–>VS2–>VS5–>VS4 со сдвигом в 60°, причем тиристоры VS1, VS3, VS5 открываются в положительные, а тиристоры VS2, VS4, VS6 – в отрицательные полупериоды фазных напряжений. Интервал проводимости каждого тиристора равен 120°, а интервал совместной работы двух тиристоров одной группы (перекрытие) зависит от угла управления.

Форма выходного напряжения представляет собой огибающую участков линейных напряжений. За один период сетевого напряжения происходит шесть переключений вентилей, в связи с чем на графике можно наблюдать 6 пульсаций (импульсов), поэтому схему также называют шестипульсной. Пульсации выходного напряжения имеют частоту, в шесть раз превышающую частоту питающей сети (300 Гц при частоте сети 50 Гц).

16

Введение угла управления приводит к задержке момента отпирания тиристоров на величину α, что обеспечивает регулировку среднего значения выходного напряжения. Временные диаграммы напряжений (см. рисунок 1.7) представлены при чисто активной нагрузке и работе выпрямителя с углами управления α = 30° и α = 60°, соответствующие протеканию непрерывного тока. При этом, начиная с углов управления α > 60°, в нагрузке будет протекать прерывистый ток. То есть при активной нагрузке мостовая схема выпрямителя, также как и схема со средней точкой, имеет два качественно отличных режима работы. При этом предельный угол управления α при работе выпрямителя на чисто активную нагрузку составляет 120°.

Рисунок 1.7 – Временные диаграммы фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и выпрямленного напряжения для трехфазной мостовой схемы при угле открытия тиристоров α = 30°, α = 60° и α = 90°

17

Ключевое преимущество трехфазной мостовой схемы заключается в ее способности максимально эффективно использовать мощность трансформатора. В отличие от схем с нулевым выводом, где каждая обмотка работает только в течение половины периода, в мостовой схеме обе полуобмотки трансформатора участвуют в передаче энергии на протяжении всего цикла. Ток протекает попеременно через разные пары обмоток, но без пауз, характерных для однополупериодных схем. Такой режим работы обеспечивает постоянную загрузку всех фазных обмоток. Еще одним важным достоинством является высокая частота пульсаций выходного напряжения, которая в два раза выше, чем у предыдущей схемы со средней точкой. Следовательно, выпрямленное напряжение на выходе мостовой схемы получается более сглаженное.

Одним из основных недостатков такой схемы является необходимость использования шести вентилей, что увеличивает стоимость схемы и усложняет её конструкцию по сравнению с той же схемой со средней точкой. Это также требует более сложной системы управления для синхронизации и подачи управляющих импульсов на каждый вентиль, особенно при реализации регулируемых выпрямителей. Помимо этого, поскольку в мостовой схеме ток нагрузки протекает одновременно через два вентиля, это приводит к увеличению общего падения напряжения на вентилях. В результате суммарные потери мощности на вентилях оказываются выше, чем в схеме со средней точкой.

18

2.КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

2.1.Обзор нормативной базы - ГОСТ 32144-2013

То, насколько надежно работают энергосистемы и подключенное к ним оборудование, сильно зависит от качества электроэнергии. В современных условиях энергопотребление с каждым днем лишь растет, а значит и потребность в обеспечении надлежащего качества электроэнергии тоже усиливается.

Основной документ, устанавливающий требования к показателям качества электрической энергии в России, - ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Требования данного стандарта касаются систем переменного тока частотой 50 Гц. Документ охватывает сети различного напряжения: бытовые и промышленные сети 220/380 В, сети среднего напряжения 6–35 кВ, а также высоковольтные сети 110 кВ и выше с учетом их специфики. Данные требования должны выполняться всегда, за исключением экстренных ситуаций, обусловленных стихийными бедствиями, а также введением временных ограничений (например, для устранения неисправностей).

ГОСТ 32144-2013 определяет «качество электрической энергии» как степень соответствия показателей электроэнергии их установленным нормам. Важно при этом заметить, что качество электроэнергии – это не абсолютный, а относительный показатель, который оценивается через совокупность измеряемых параметров.

Показатели качества электроэнергии, рассматриваемые в данном стандарте, связаны с характеристиками напряжения, такими как его частота, величина и форма, а также симметрия в трехфазных системах. Эти характеристики могут изменяться по ряду причин, включая изменения нагрузки, электромагнитные помехи от оборудования и внешние неисправности.

19

Качественная электроэнергия должна одновременно удовлетворять нескольким критериям. Во-первых, она должна обеспечивать стабильное питание оборудования. Во-вторых, она не должна создавать электромагнитных помех, которые могли бы нарушить работу других устройств в той же сети. В-третьих, её характеристики должны соответствовать современным требованиям, учитывающим особенности как промышленного оборудования, так и чувствительной электронной аппаратуры. При этом стандарт учитывает, что в реальных условиях абсолютно стабильные параметры недостижимы, поэтому устанавливает разумные пределы, основанные на статистическом анализе и практическом опыте эксплуатации электрооборудования.

2.2. Параметры качества электроэнергии

ГОСТ 32144-2013 условно разделяет все изменения характеристик напряжения на две категории – продолжительные и случайные. В зависимости от того, к какой группе относится рассматриваемое отклонение параметра электрической сети, различается подход к нормированию, а также методики контроля.

Продолжительные изменения напряжения – это устойчивые отклонения параметров напряжения, сохраняющиеся в течение значительного времени. В большинстве случаев, продолжительные изменения характеристик напряжения обусловлены изменениями нагрузки в электрической сети, а также наличием нелинейных нагрузок (инверторы, выпрямители, частотные преобразователи и др.). Например, при увеличении нагрузки на линию может наблюдаться падение напряжения, что приводит к его отклонению от номинального значения. К систематическим изменениям относятся устойчивые отклонения напряжения, несинусоидальность, несимметрия и отклонение частоты. Для таких параметров стандарт устанавливает жесткие предельные значения, которые не должны превышаться в нормальных условиях работы сети. Их контроль проводится путем непрерывного мониторинга или периодических измерений с усреднением

20