Усина С. Исследование гармонического состава тока регулируемого трехфазного выпрямителя

61

то можно заметить, что индуктивность сглаживает пульсации, происходящие во

время коммутации вентилей.

Рисунок 5.19 – Осциллограммы тока при угле регулирования α = 70°

для мостовой схемы выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой

-20

-30

-40

-50

Рисунок 5.20 – Осциллограммы напряжения при угле регулирования α = 70°

для мостовой схемы выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой 63

Таким образом, индуктивность нагрузки и угол управления тиристорами являются взаимосвязанными параметрами, определяющими как качество выходного сигнала, так и динамические свойства системы. Даже при значительных углах управления можно достичь приемлемого уровня пульсаций за счёт оптимального подбора индуктивности.

На рисунке 5.21 представлен амплитудный дискретный спектр гармонических составляющих входного тока для трех разных значений индуктивности. Несмотря на ранее отмеченное снижение уровня пульсаций и сглаживание формы кривой тока при увеличении индуктивности, анализ гистограмм демонстрирует неоднозначное поведение гармоник. Так, третья, пятая и шестая гармоники (n = 3, 5, 6) уменьшаются с ростом индуктивности, тогда как гармоники с порядковыми номерами n = 13, 19, 23, 25 наоборот проявляют тенденцию к увеличению.

50

L=0 Гн

45

L=0.1 Гн

40

L=0.3 Гн

35

L=0.5 Гн

30

25

20

15

10

5

0

Рисунок 5.21 – Гистограммы амплитуд тока первых 25 гармоник мостового выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой при угле регулирования α = 70°

64

На рисунке 5.22 представлена столбчатая диаграмма, иллюстрирующая сравнение суммарных коэффициентов гармонических искажений тока KI и

напряжения KU при двух режимах работы схемы: с чисто активной нагрузкой и с добавлением в нагрузку индуктивности (L = 0,5 Гн). Добавление индуктивности уменьшает коэффициент искажений напряжения лишь незначительно – меньше 1 %, тогда как коэффициент искажений тока значительно уменьшается

– на 30 %, то есть почти вдвое.

Рисунок 5.22 – Суммарный коэффициент гармонических искажений тока KI и

напряжения KU при чисто активной и активно-индуктивной нагрузке (α = 70°) для мостовой схемы выпрямителя

Как было показано на рисунке 5.13, форма входного тока изначально напоминает синусоиду, однако при α = 70° приближается к форме пилы. Индуктивность эту пилу сглаживает и делает форму похожей на исходную при угле α = 0° (см. рисунок 5.19), соответственно и уровни гармоник приближаются

65

к значениям гармоник стандартного канонического набора – снижаются примерно вдвое. При этом напряжение при такой симметричной форме даже пилообразной формой тока не так сильно искажается (см. рисунок 5.14), соответственно и обратное изменение при добавлении индуктивности небольшое, всего 0.6 %.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что индуктивность нагрузки существенно улучшает форму кривой тока, приближая ее к синусоидальной, но в то же время оказывает ограниченное незначительное влияние на качество напряжения питающей сети.

66

6. МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОКА

Регулируемые трехфазные выпрямители, будучи нелинейной нагрузкой в электрической сети, генерируют высшие гармоники тока, ухудшающие качество электроэнергии. Как следствие, наблюдается значительное искажение синусоидальной формы напряжения, другими словами, проявляется несинусоидальность.

Анализ спектрального состава показывает, что уровень гармоник существенно зависит от угла открытия тиристоров α. При увеличении α от 0 ° до 90 ° коэффициент нелинейных искажений (THD) может существенно возрастать и превышать допустимые нормы, установленные стандартом ГОСТ 32144―2013. Это обуславливает необходимость применения специальных методов коррекции гармонического состава.

1) Самым простым способом снижения уровня гармоник является использование дросселей, подключаемых к фазным проводам. Однако, если выпрямитель питается от трансформатора, обмотка которого так же, как и дроссель, имеет реактивное сопротивление, то необходимость подключения дросселей может и не требоваться. Индуктивное сопротивления рассчитывается по следующей формуле:

xL 2 fL,

где f – частота, Гц; L – индуктивность, Гн.

Исходя из формулы, можно сказать, что индуктивное сопротивление линейно возрастает с частотой. Например, для 7-ой гармоники (350 Гц) сопротивление будет в 7 раз больше, чем для основной частоты 50 Гц.

67

Как уже было отмечено, главное достоинство в данном случае – это простота решения. Однако применение дросселей часто не позволяет уменьшить искажения тока до желаемого уровня.

2) Наиболее распространенным решением подавления высших гармоник в сети является использование пассивных фильтров. По своей сути, пассивный фильтр – это соединенные между собой ёмкостно-индуктивные звенья, состоящие из конденсаторов, дросселей и демпфирующих резисторов (для снижения добротности и предотвращения перегрузок). На рисунке 6.1 изображена принципиальная электрическая схема трехфазного управляемого выпрямителя Ларионова с пассивным LC-фильтром:

Рисунок 6.1 – Схема трехфазного выпрямителя с пассивным LC-фильтром

Схемы пассивных фильтров проектируются таким образом, чтобы резонансные частоты отдельных звеньев были близки к определенным частотам имеющихся гармоник. На частоте резонанса fр сопротивление отдельно взятого звена фильтра минимально и стремится к нулю, в результате чего соответствующая гармоника шунтируется и практически не попадает в питающую сеть.

68

Ниже приведена формула расчета резонансной частоты fр:

где Ln – численное значение индуктивности звена, Гн; Cn – численное значение емкости звена, Ф.

Основное преимущество пассивных фильтров – их невысокая стоимость. Однако, чем выше частота гармоник, тем ниже эффективность фильтра. Поскольку пассивные фильтры предназначены для фильтрации определенных гармоник, при изменении гармонического состава фильтр может перестать быть эффективным и, как следствие, для динамически изменяющихся систем многократно увеличивается сложность проектирования схем с пассивными фильтрами.

3) В отличие от пассивных фильтров, активные фильтры могут динамически подавлять гармонические искажения в электрической сети, адаптируясь к текущей нагрузке и спектру гармоник. Также у активных фильтров отсутствуют резонансные эффекты, характерные для пассивных фильтров и способные вызвать перегрев элементов электрической цепи. Учитывая данные преимущества, использование активных фильтров особенно предпочтительно в системах, где наблюдается значительные изменения в нагрузке, а также в системах с высокими требованиями к качеству электроэнергии.

Принцип работы активных фильтров состоит в генерации компенсирующего тока (рисунок 6.2). Для того, чтобы успешно генерировать сигнал, данные устройства должны непрерывно отслеживать в текущем времени гармонические искажения в сети. Другими словами, любой активный фильтр, по сути, состоит из анализатора гармоник, контроллера и генератора тока.

69

Рисунок 6.2 – Схема подключения активного фильтра гармоник

Первым ключевым элементом является анализатор гармонического состава тока, который определяет амплитудный и фазовый гармонический спектр, а затем передает эти данные в контроллер. Контроллер обрабатывает полученные данные от анализатора и рассчитывает параметры компенсирующего сигнала так, чтобы его гармоники были такими же по амплитуде, но в противофазе с соответствующими нежелательными гармониками сети. Далее генератор тока формирует компенсирующие гармоники, которые «обнуляют» искажения. На рисунке 6.3 наглядно представлена схема:

Рисунок 6.3 – Структурная схема активного фильтра гармоник

Генератор тока в большинстве случаев представляет собой инвертор на IGBT-транзисторах с широтно-импульсной модуляцией. Использование IGBT-

70