Усина С. Исследование гармонического состава тока регулируемого трехфазного выпрямителя

Тиристорный преобразователь / регулятор содержит в себе 6 тиристоров и имеет множество режимов работы. Для проведения экспериментов был выбран режим трехфазного преобразователя.

Для наблюдения кривых напряжения и тока использовался электронный цифровой осциллограф UTD2025.

4.2. Описание анализатора качества электрической энергии Power Master MI 2892

Для измерения показателей качества электрической энергии в ходе экспериментов используется портативный многофункциональный прибор Power Master MI 2892 производства Metrel [9]. Данный анализатор полностью соответствует действующему межгосударственному стандарту качества электроэнергии ГОСТ 30804.4.30-2013 (устанавливающий методы измерений показателей качества электрической энергии) и относится к классу А, что обеспечивает высокую точность и достоверность результатов измерений.

Анализатор измеряет широкий спектр параметров качества электрической энергии. Ниже приведен полный список:

Напряжение (среднеквадратическое, пиковые значения);

Провалы напряжения, перенапряжения, прерывания напряжения (в том числе длительность, глубина, остаточное напряжение при прерываниях);

Ток (среднеквадратическое, пиковые значения);

Гармоники напряжения и тока до 50-го порядка (в том числе общий коэффициент гармонических искажений THD);

Интергармоники напряжения и тока;

Частота сети;

Активная, реактивная, полная мощность (в том числе мощность гармо-

ник);

Коэффициент мощности;

41

Энергия (активная, реактивная);

Доза фликера (кратковременная и длительная);

Несимметрия напряжений и токов по нулевой и обратной последовательностям.

В таблице 4.1 приведены общие технические характеристики анализато-

ра.

Таблица 4.1 – Общие технические характеристики Power Master MI 2892

Передняя панель состоит из цветного графического экрана и клавиатуры (рисунок 4.2).

В боковой панели расположен разъем для microSD-карты (до 32 Гб), что позволяет записывать данные встроенного регистратора и в последующем подключать карту памяти к внешним устройствам для обработки записанных результатов измерений. Кроме этого, в данной части также расположены USBразъем и Ethernet-порт, предназначенных для переноса данных и дистанционного подключения прибора к ПК.

42

Рисунок 4.2 – Передняя панель прибора Power Master MI 2892

В нижней части прибора расположен аккумуляторный отсек, предназначенный для 6 аккумуляторных батарей типа АА. Устройство может работать автономно до 4.5 часов.

На рисунке 4.3 показана верхняя панель прибора, на которой расположены разъемы для подключения проводов, включающие в себя:

1 – входные клеммы I1, I2, I3, IN для подключения трансформаторов тока клещевого типа и измерения тока в фазном и нулевом проводниках (с автораспознаванием типа клещей);

2 – входные клеммы L1, L2, L3, N, GND для измерения напряжений (до 1000 В);

3 – разъем для внешнего питания 12 В.

43

Рисунок 4.3 – Верхняя панель прибора с разъемами

Помимо встроенного непосредственно в самом анализаторе ПО, производитель предоставляет также и специализированный программный пакет PowerView для ПК, предназначенный для постобработки данных, полученных от прибора. PowerView преобразует первичные измерения (напряжение, ток, гармонические составляющие, фликер, несимметрия и прочее) в структурированные отчёты, содержащие визуализацию в виде осциллограмм, спектрограмм гармоник, графиков трендов и диаграмм Кэри-Фостера для оценки несимметрии. Кроме того, данный программный пакет позволяет выгрузить данные в различные структурированные форматы (.pdf, .xlsx, .csv) для дальнейшего самостоятельного анализа в других программах.

44

Рисунок 4.4 – Внешний интерфейс пакета PowerView

Принцип действия анализатора можно разбить на несколько ключевых этапов. Прибор регистрирует сигналы с аналоговых входов напряжения и тока, после чего встроенный 16-битный АЦП (аналого-цифровой преобразователь) с 8 каналами (4 для тока и 4 для напряжения) преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Далее микроконтроллер математически обрабатывает данные и усредняет их на заданном интервале времени. Наконец, обработанные результаты выводятся на экран прибора и, при необходимости, сохраняются на карту памяти.

45

5.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Входе исследования было изучено влияние на питающую сеть двух трехфазных регулируемых схем выпрямителей, а именно – схемы со средней точкой и мостовой схемы. Для каждой схемы подключалось два вида нагрузки

–чисто активная и активно-индуктивная. Во время подключения чисто активной нагрузки угол открытия тиристоров α регулировался от 0° до 130° с шагом в 10°. Индуктивность катушки, добавляемой в схему, могла принимать одно из трёх значений: 0 Гн, 0.3 Гн либо 0.5 Гн. Причём в случае активно-индуктивной нагрузки изучались режимы, соответствующие углам отпирания тиристоров 0°, 40° и 70°. Токовые клещи были подключены ко всем трем фазам вторичной обмотки понижающего трансформатора, однако в силу того, что система симметричная, далее в работе будут приводиться графики лишь для одной фазы А.

5.1. Исследование регулируемой трехфазной схемы со средней точкой (однополупериодная полумостовая схема)

На рисунке 5.1 и 5.2 изображены временные диаграммы тока и напряжения соответственно вторичной обмотки трансформатора при пяти значениях угла открытия тиристоров α – 0°, 40°, 70°, 100°, 130°. Важно заметить наличие лишь одной положительной полуволны тока на графике. Это подтверждает то, что исследуемая схема функционирует в режиме однополупериодного выпрямления. Кроме того, график наглядно показывает влияние угла открытия тиристоров α на амплитуду и продолжительность сигнала. При α = 0° (синяя линия) ток появляется почти сразу (2 мс) и достигает максимальной амплитуды около 430 мА. После увеличения угла α ток начинает расти позже, а максимальная амплитуда сигналов заметно снижается. Форма импульса становится менее

46

прямоугольной, ближе к треугольной или пилообразной. На больших углах

(100° и 130°) ток практически отсутствует или минимальный.

500 I, мА

α = 0 °

400

α = 40 ° α = 70 ° α = 100 °

300 α = 130 °

200

100

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 t, мс

-100

Рисунок 5.1 – Осциллограммы тока для схемы со средней точкой

Рисунок 5.2 – Осциллограммы напряжения для схемы со средней точкой

47

Для количественной оценки степени искажения формы кривой используются гармонические составляющие этого тока. Ниже на рисунке 5.3 представлен дискретный амплитудный спектр для первых 25 гармонических составляющих входного тока выпрямителя при пяти углах регулирования α. Для лучшей наглядности первая гармоника отсутствует на гистограммах, поскольку она всегда равняется 100%. Наибольшие гармонические искажения тока присущи второй гармонике, имеющую частоту 100 Гц. Помимо этого, на нижеприведенной гистограмме так же можно наблюдать увеличение амплитуд всех гармонических составляющих тока с ростом угла регулирования.

Для комплексной оценки влияния выпрямителя на питающую сеть необходимо также проанализировать гармонический состав напряжения. На рисунке 5.4 приведен амплитудный спектр напряжения сети для тех же углов регулирования. Распределение гармоник напряжения отличается от распределения гармоник тока. Наибольшая амплитуда наблюдается у третьей гармоники (f = 150 Гц). Вторая гармоника, а также гармоники с порядковыми номерами, кратных трём (6-я, 9-я, 12-я и т.д.), также имеют повышенный уровень в сравнении с остальными гармониками.

Возникновение гармоник, кратных трем вызвано принципом работы схемы выпрямителя, в котором ток в фазе имеет прерывистый характер - течет лишь часть периода. В схеме выпрямителя со средней точкой нейтральный провод (средняя точка трансформатора) служит общим обратным проводом для фазных токов. Гармоники кратные трем в трёхфазной системе синфазны во всех фазах. Например, 3-я гармоника имеет частоту 150 Гц (при сетевой частоте 50 Гц) и совпадает по фазе в проводниках A, B, C. В результате их амплитуды складываются в нейтральном проводе, создавая значительный ток.

48

In /I1, % 120

0 40 70 100 130

100

80

60

40

20

0

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Рисунок 5.3 – Гистограммы первых 25 гармоник входного тока

для схемы со средней точкой при пяти различных углах регулирования

50Un /U1, %

0 40 70 100 130

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Рисунок 5.4 – Гистограммы первых 25 гармоник входного напряжения

для схемы со средней точкой при пяти различных углах регулирования

49

Различие спектров тока и напряжения обусловлено частотной зависимостью импеданса сети. Нужно понимать, что гармоники напряжения возникают вторично – как результат падения напряжения на импедансе сети Zсети, вызванного гармоническими токами:

где Un – амплитуда напряжения n-ной гармонической составляющей, В; In – амплитуда тока n-ной гармонической составляющей, А; Zсети(f) – импеданс сети, Ом; R – активное сопротивление, Ом; L – индуктивность, Гн; C – ёмкость, Ф.

Импеданс сети – это функция частоты, поэтому гармоники напряжения зависят не только от тока, но и частоты. Низкий импеданс на частоте 100 Гц приводит к тому, что наибольшая вторая гармоника тока не вызывает таких же значительных искажений напряжения.

Как видно из рисунка 5.5, демонстрирующего зависимость коэффициентов гармоник тока от угла регулирования, все гармоники имеют примерно одну и ту же зависимость – при углах α меньше 80–90° гармоники практически не зависят от угла регулирования, затем при углах α больше 80–90° наблюдается резкий рост, а после пика при α = 120° значения падают. Однако данный рост в процентах объясняется скорее не из-за роста самих высших гармоник, а по большей части за счет падения абсолютного значения амплитуды первой гармоники. На рисунке 5.6 проиллюстрирована зависимость амплитуд гармоник тока от угла регулирования: до 80–90° темп снижения высших гармоник близок к темпу снижения первой гармоники, поэтому коэффициенты гармонических составляющих остаются неизменными, а после 80–90°, когда первая гармоника снижается быстрее, относительные уровни высших гармоник начинают расти.

50