Усина С. Исследование гармонического состава тока регулируемого трехфазного выпрямителя

транзисторов (или, как их еще называют, биполярных транзисторов с изолированным затвором) связано с высокими требованиями к динамическим характеристикам: для точной и эффективной компенсации гармонических искажений генератор должен обладать высокой скоростью переключения, что достижимо только с IGBT или MOSFET транзисторами. IGBT предпочтительнее благодаря высокому напряжению пробоя и умеренных потерь в сравнении с MOSFET на высоких напряжениях (выше 600 В).

Стоит, однако, заметить, что чем шире спектр подавляемых гармоник и чем выше мощность активного фильтра, тем больше требуется в схеме дорогостоящих IGBT-транзисторов. Также следует учитывать, что в отличие от пассивных фильтров, активные не могут длительно работать в режиме перегрузок, поскольку IGBT-модули жестко ограничены по максимальному току.

71

7.БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

7.1.Идентификация опасных и вредных факторов

Все эксперименты проводились на кафедре ЭТПТ с использованием учебно-лабораторного стенда «Источники питания электротехнологических установок» ИПЭТУ1-С-К.

Данная установка питается от стандартной трехфазной сети переменного тока 220/380 В частотой 50 Гц, с применением пятипроводной схемы подключения, включающей три фазных проводника (L1, L2, L3), нейтраль (N) и защитное заземление (PE).

В соответствии с ГОСТ 12.0.003-2015 «Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Опасные и вредные производственные факторы. Классификация», электрический ток в лабораторной установке, под действие которого попадает работающий, по природе воздействия на человека относятся к опасным и вредным производственным факторам, обладающих свойствами физического воздействия на организм человека. В свою очередь, напряжения зрения при работе с измерительными приборами, а также умственное перенапряжения при обработке экспериментальных данных, согласно этому же документу, относятся к опасным и вредным производственным факторам, обладающих свойствами психофизиологического воздействия на организм человека [10].

Основную опасность при работе с лабораторным стендом представляет риск поражения электрическим током. Максимально допустимые значения напряжения и тока прикосновения при нормальном и аварийном режимах электроустановки приведены в ГОСТ 12.1.038-2021 «Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов» [11].

72

7.2. Обеспечение безопасности при проведении работ

Трехфазный источник питания (рисунок 7.1) имеет I класс защиты поражения электрическим током в соответствии с ГОСТ 12.2.007.0-75 «ССБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности» [12].

Рисунок 7.1 – Блок трехфазного источника питания

Все токоведущие части данного устройства имеют надежную рабочую изоляцию, а для защиты от косвенного прикосновения реализовано защитное заземление. Соединение с заземляющим контуром сети осуществляется через специальный контакт трехфазной штепсельной вилки, который при подключении устройства автоматически соединяет его металлические части с PEпроводником системы электроснабжения.

Помимо этого, трехфазный источник питания имеет другие меры защиты: 1) Источник питания оснащен автоматическим выключателем, который обеспечивает защиту электрооборудования от токов короткого замыкания и длительных перегрузок, гарантируя безопасность эксплуатации стенда. Времятоковые характеристики автоматического выключателя соответствуют классу «С», что оптимально для активных и слабоиндуктивных нагрузок. Рабочие па-

73

раметры выключателя согласованы с характеристиками других защитных устройств стенда, включая УЗО и магнитный пускатель, что обеспечивает многоуровневую систему защиты;

2) Четырехполюсный дифференциальный автоматический выключатель АД14 C6 AC10 производства компании IEK, выполняющий критически важную функцию защиты оператора от поражения электрическим током (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 - Дифференциальный автоматический выключатель

Данное защитное устройство отключает напряжение при обнаружении дифференциального тока утечки величиной от 10 мА. Время срабатывания защиты, составляющее 40 мс, соответствует требованиям электробезопасности, указанными в таблице 7.2 настоящей работы. Такие параметры гарантируют, что в случае нарушения целостности изоляции и возникновения опасной ситуации питание установки будет отключено до того, как электрический ток сможет причинить вред здоровью человека;

3) В конструкции стенда предусмотрена дополнительная мера безопасности в виде ключа-выключателя. Это предотвращает случайный или умышленный запуск стенда неавторизованными пользователями, что гаранти-

74

рует строгий контроль за проведением экспериментальных работ. Такое конструктивное решение особенно важно для учебного оборудования, так как позволяет преподавателю контролировать процесс подготовки к проведению экспериментов;

4) Применена сигнальная разметка в соответствие с требованиями ГОСТ 12.4.026–2015 «ССБТ. Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сигнальная. Назначение и правила применения. Общие технические требования и характеристики. Методы испытаний» (с изменением № 1 и поправками) [13]. Кнопка аварийного останова выполнена в виде крупной выступающей клавиши красного цвета для мгновенного визуального обнаружения и быстрого доступа. Кнопка пуска, напротив, имеет малые размеры и выполнена с утоплением относительно лицевой панели, что позволяет минимизировать шансы случайного нажатия.

Рисунок 7.3 – Блок преобразовательного трансформатора

При проведении исследования в электрических схемах использовалось два блока понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации k = 3 (см. рисунок 7.3).

75

Преобразовательный трансформатор выполняет две функции в установке. Во-первых, он преобразует стандартное фазное напряжение сети 220 В до более низкого рабочего уровня (порядка 60–70 В на выходе второго трансформатора), что позволяет проводить исследования в более безопасном режиме. Во-вторых, и это особенно важно, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку между питающей сетью и измерительной частью лабораторного стенда, создавая дополнительный уровень электробезопасности. Данный трансформатор соответствует 01 классу защиты поражения электрическим током в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.007.0-75 [12].

Важно отметить, что все функциональные блоки лабораторного стенда оснащены специальными заземляющими контактами, обозначенными стандартным символом заземления ( ). В процессе сборки экспериментальной установки все эти контакты были последовательно соединены между собой проводниками, что обеспечило создание единой системы защитного заземления. Такое конструктивное решение соответствует требованиям ГОСТ 12.2.007.0-75 и ПУЭ-7.

Эксплуатация электротехнического оборудования, включая лабораторный стенд, требует строгого соблюдения норм пожарной безопасности в соответствии с ГОСТ 12.1.004-2017 «Пожарная безопасность. Общие требования» [16]. Особое внимание уделяется тому, чтобы все соединения и контакты были надежно зафиксированы для предотвращения искрообразования. В процессе проведения испытаний особое внимание уделялось контролю теплового режима работы электрооборудования. Согласно требованиям нормативного документа, температура силовых компонентов не должна превышать 70°C, что является критическим значением для обеспечения пожарной безопасности электроустановок. Для соблюдения данного норматива в ходе экспериментов осуществлялся непрерывный мониторинг температурных показателей с помощью встроенного анализатора качества электроэнергии, оснащенного функцией из-

мерения температуры. Кроме этого, выполнялась тактильная проверка нагрева 76

корпусов силовых элементов, а также обонятельный контроль для выявления характерных запахов перегрева. Особое внимание уделялось, в случае обнаружения локального перегрева (ощутимый нагрев при касании тыльной стороной ладони) выполнялось немедленное снижение нагрузки.

Организация и проведение экспериментальных исследований на лабораторном стенде осуществлялись с соблюдением всех требований ГОСТ 12.4.11382 «ССБТ. Работы учебные лабораторные. Общие требования безопасности». Данный стандарт устанавливает комплексный подход к обеспечению безопасных условий при выполнении учебно-исследовательских работ на стендах. Особое внимание уделялось техническим средствам защиты, включая обязательное наличие аварийного отключения на стенде в виде кнопки «СТОП» красного цвета, применение двойной изоляции и защитного заземления всех блоков через PE-проводник. Все работы выполнялись под постоянным контролем ответственного специалиста (в данном случае научного руководителя), что соответствует требованиям нормативного документа.

77

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы был исследован гармонический состав входного тока двух видов трехфазных регулируемых выпрямителей – схемы со средней точкой (либо нулевым выводом) и мостовой схемы Ларионова. Проведенные исследования позволили получить количественные оценки степени влияния рассматриваемых преобразователей на гармонический состав питающего напряжения, другими словами, на параметры качества электроэнергии, связанные с синусоидальностью сигнала.

При этом схемы были изучены в различных режимах работы посредством регулирования угла открытия тиристоров, а также изменения характера нагрузки. Особое внимание в работе было уделено изучению зависимости гармонического состава входного тока от режимов работы выпрямителей. Для этого проводился эксперимент с изменением угла управления тиристорами в широком диапазоне значений (от 0° до 130°), что позволило проследить динамику изменения спектрального гармонического состава тока. Параллельно исследовалось влияние характера нагрузки на параметры гармонических искажений, для чего к выпрямителям подключались различные виды нагрузки – чисто активная, ак- тивно-индуктивная.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Мостовая схема выпрямителя существенно меньше оказывает негативного воздействия на показатели качества электроэнергии. Так, при углах регулирования α < 70° суммарный коэффициент искажений входного тока KI мостового выпрямителя составляет порядка 30 %, в то время как для схемы со средней точкой значение данного показателя равняется уже примерно 70%. По этой причине мостовая схема является более предпочтительной, нежели схема с нулевым выводом.

78

2.Для трехфазной мостовой схемы наибольшие искажения тока (KI достигает 140 %) наблюдаются при углах регулирования α в диапазоне 100–115°,

апри углах α меньше 60–70 % коэффициент искажений тока минимален и держится примерно на одном уровне.

В случае со схемой с нулевым выводом наибольшие гармонические искажения тока наблюдаются при углах отпирания тиристоров α > 90° (KI достигает 200 %). При α < 90° суммарный коэффициент искажений тока KI практически постоянен и держится на уровне 65–70 %.

3.Увеличение частных и суммарных коэффициентов гармонических составляющих обусловлено не ростом токов соответствующих частот (в абсолютных величинах), а снижением амплитуды первой гармоники. Амплитуды же высших гармоник с увеличением угла регулирования снижаются (при углах больше α > 20° в полумостовой схеме и α > 70° в мостовой). Таким образом, выяснено, что любой режим работы таких выпрямителей будет влиять на сеть не сильнее, чем неуправляемый выпрямитель.

4.Исследование влияния индуктивности в нагрузке показало значительное улучшение параметров синусоидальности входного тока: при α = 70° и добавлении в нагрузку катушки с индуктивностью L = 0.5 Гн коэффициент искажений тока KI уменьшился примерно вдвое.

В случае со схемой с нулевым выводом включение индуктивности способствует незначительному уменьшению искажений (KI уменьшается на ~2 %), форма кривой тока становится заметно менее пилообразной.

79

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Петров, А. В. Микроволновые технологии в промышленности / А.

В.Петров, С. К. Иванова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Техносфера, 2020. – 312 с.

2.Кузнецов, В. М. Перспективы развития СВЧ-установок / В. М. Кузнецов // Электротехника. – 2021. – № 3. – С. 18–25.

3.Микроволновая обработка материалов: монография / под ред. П. Р. Сергеева. – СПб.: Профессия, 2018. – 278 с.

4.Современные СВЧ-технологии [Электронный ресурс]: электрон. науч. журн. – 2022. – № 2. – URL: http://www.mwjournal.ru (дата обращения: 12.10.2023).

5.Алексеев, А. В. Теория автоматического управления. – М.: Энергия, 2020. – 256 с.

6.IEEE Std 519-2022. Recommended Practice for Harmonic Control in Electric Power Systems. – 2022.

7.Розанов, Ю. К. Силовая электроника. – М.: Академия, 2021. – 320 с.

8.Akagi, H. Modern Active Filters. – Wiley, 2022. – 480 p.

9.Руководство по эксплуатации анализатора качества электроэнергии METREL. – М.: METREL, 2023. – 45 с.

10.ГОСТ 12.0.003–2015. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. – Введ. 2017-03-01. – М.: Стандартинформ, 2016. – 16 с.

11.ГОСТ 12.1.038–2024. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. – Введ. 2024-06-04. – М.: Российский институт стандартизации, 2024. – 13 с.

80