Усина С. Исследование гармонического состава тока регулируемого трехфазного выпрямителя

140

120

100

80

60

51

На рисунке 5.7 проиллюстрирована зависимость преобладающих гармонических составляющих питающего напряжения от угла регулирования тиристоров α. Вторая гармоника постоянна и практически никак не зависит от угла регулирования α. В то время как тройные гармоники растут с увеличением угла, но при углах более 90–100° начинают спадать, что связано с существенным снижением амплитуды тока.

80

70

60

50

40

30

0

Рисунок 5.7 – График зависимости амплитуд гармонических составляющих входного напряжения от угла регулирования для схемы со средней точкой

Логично, что и суммарный коэффициент гармонических искажений тока

KI (рисунок 5.8) имеет такую же форму графика, что и кривые отдельно взятых гармонических составляющих (см. рисунок 5.5), поскольку суммарный коэффициент по своей сути является среднеквадратичным значением всех гармоник. Как было видно по осциллограмме (см. рисунок 5.1), форма фазного тока довольно далека от синусоиды и близка к сигналу пилообразной формы. Числен-

52

Анализ графика демонстрирует, что при углах регулирования α > 80° наблюдается резкий рост гармонических искажений тока, достигающий порядка 200 % при α = 130°. Однако, поскольку увеличение угла регулирования сопровождается существенным снижением амплитуды тока, негативное влияние на напряжение питающей сети снижается. Таким образом, максимальные искажения напряжения формируются в диапазоне углов регулирования 70–100°, где сочетаются значительный уровень гармоник и относительно высокая амплитуда тока.

На искажение формы тока может влиять и характер нагрузки, то есть ее

индуктивность. На выходе выпрямителя, как правило, подключается дроссель для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Индуктивность этого 53

дросселя может играть роль фильтра для определенных гармоник. На рисунке 5.9 изображены осциллограммы тока вторичной обмотки трансформатора при угле регулирования α = 70° и различных значениях индуктивности, добавляемой в нагрузку. Как видно, амплитуда пульсаций заметно уменьшается – с 400 мА при чисто активной нагрузке (L = 0 Гн) до 325 мА при добавлении индуктивности L = 0.5 Гн, то есть амплитуда пульсаций уменьшилась на 18.75 %. При этом форма сигнала приблизилась к форме прямоугольного сигнала (при отсутствии индуктивности форма сигнала была похожа на пилообразную).

Рисунок 5.9 – Осциллограммы тока при угле регулирования α = 70° для схемы с нулевым выводом с активно-индуктивной нагрузкой

На рисунке 5.9 представлен амплитудный спектр тока при добавлении в нагрузку катушки с различными значениями индуктивности. Поскольку гармоники ведут себя одинаково вне зависимости от угла регулирования, ниже приводится лишь график при угле регулирования α = 70°. Как видно из графика, с увеличением индуктивности вторая и гармоники кратные трем уменьшаются, а

54

вот все остальные гармоники, наоборот, увеличиваются. Поскольку выше было отмечено, что в спектре напряжения превалируют гармонические составляющие с номерами n = 2, 3, 6, 9… (см. рисунок 5.7), то можно предположить, что добавление индуктивности в нагрузку помогает в борьбе с искажениями напряжения в сети.

Судя по рисунку 5.11, все гармонические составляющие напряжения, кроме второй, уменьшаются с ростом значения индуктивности в нагрузке.

Рисунок 5.10 – Гистограммы амплитуд тока первых 25 гармоник для схемы со средней точкой с активно-индуктивной нагрузкой при α = 70°

55

индуктивности и при ее наличии в нагрузке (L = 0.5 Гн). Введение индуктивности в цепь нагрузки оказало незначительное влияние на коэффициент KI, величина которого снизилась всего на пару процентов. В то же время, коэффициент искажений напряжения KU уменьшился существенно – на 25 %, что подтверждает эффективность индуктивности в подавлении гармонических составляющих напряжения. Объяснить это можно тем, что форма входного тока, как было показано на рисунке 5.1 импульсная, с нулевыми участками в полпериода. Индуктивность сглаживает форму импульса, делая ее менее пилообразной, однако с нулевыми участками бороться не может. Поэтому и коэффициент KI упал лишь незначительно с добавлением индуктивности. В то же время, в напряжении присутствуют четные гармоники (см. рисунок 5.11), и их индуктивность существенно снижает, так что общая несинусоидальность напряжения тоже уменьшается.

5.2. Исследование регулируемой трехфазной мостовой схемы (двухполупериодная схема Ларионова)

На рисунках 5.13 и 5.14 изображены временные диаграммы тока вторичной обмотки трансформатора при пяти значениях угла открытия тиристоров – 0°, 40°, 70°, 100°, 130°. Видно, что при α = 0°, соответствующем режиму работы на максимальной мощности (равнозначному работе нерегулируемого выпрямителя), каждый полупериод имеет два максимума, поскольку каждый тиристор катодной группы проводит ток совместно с двумя тиристорами анодной группы, по очереди. Между положительным и отрицательным полупериодами имеется интервал (около 3 мс), когда ток по данной фазе отсутствует. Сигнал имеет наиболее близкую к синусоиде форму, а также максимальную амплитуду. При увеличении угла α начало проводимости наступает позже, фронт полупериода сдвигается вправо, ширина импульсов сокращается, и амплитуда тока уменьшается. При этом, важно заметить, что сдвигается и момент открытия противо-

57

положных тиристоров, поэтому впадина между двумя максимумами смещается и перед вторым максимумом появляется крутой фронт, и увеличивается интервал непроводимости между полупериодами.

Рисунок 5.13 – Осциллограммы входного тока для мостовой схемы

30 α = 70 °

α= 100 °

Рисунок 5.14 – Осциллограммы входного напряжения для мостовой схемы 58

Таким образом, по мере увеличения угла открытия тиристоров форма кривых искажается и становится все менее похожей на синусоиду, так как в ней начинают преобладать горизонтальные и вертикальные прямые. Так, при

α = 40° (оранжевая линия) кривая тока уже несимметрична относительно середины импульса, при α = 70° (желтая кривая) ток между двумя максимумами падает до нуля, так что осциллограмма имеет скорее вид сдвоенных пилообразных импульсов, а при дальнейшем увеличении угла можно заметить появление пауз между этими двумя импульсами, во время которых мгновенное значение тока равно нулю. При α = 130° (голубая линия) ток практически отсутствует, так как в этом случае каждый тиристор получает управляющий импульс на открытие тогда, когда оба противоположных тиристора закрыты, и путь для протекания тока отсутствует.

Визуально можно предположить, что именно режимы с углом регулирования 70–100° представляют собой максимально искаженную форму.

На рисунке 5.15 приведены коэффициенты гармонических составляющих тока фазы (с 1 по 25) при различных значениях угла регулирования. Как видно из спектра гармоник, данная схема выпрямителя генерирует в большей степени канонические гармоники (n = 5; 7; 11; 13; 17; 19; 23; 25 и т.д.). Амплитуды пятой и седьмой гармоник имеют наибольшие значения среди высших гармоник, что существенно влияет на качество входного тока и, соответственно, на параметры качества электросети, в которую включён выпрямитель. Максимальное значение эти гармоники имеют при угле регулирования около 100°. На гистограмме выделяются также уровни 2 и 3 гармоник при угле 130°, однако это связано не с большим значением этих составляющих, а с очень низкой величиной первой гармоники.

59

In / I1, %

80

0 40 70 100 130

70

60

50

40

30

20

10

0

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

Рисунок 5.15 – Гистограммы первых 25 гармоник входного тока мостового выпрямителя при пяти различных углах регулирования

На рисунке 5.16 показаны зависимости коэффициентов канонических гармоник тока от угла регулирования. Они остаются почти неизменными при углах до 50°, затем постепенно начинают расти с увеличением угла α, достигая пиковых значений в диапазоне от 100° до 115°. После пика значения резко уменьшаются, что соответствует переходу тиристора в почти закрытое состояние и снижению общего уровня тока. Однако, как и в случае с полумостовой схемой, нужно учитывать, что амплитуда первой гармоники уменьшается с ростом угла, поэтому относительные уровни высших гармоник, наоборот, растут, в то время как в абсолютных значениях гармонические составляющие падают.

60