ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Высшие гармоники в кривых токов И напряжений и их влияние на электрооборудование

Электромагнитная совместимость (ЭМС) полупроводниковых преобра­зователей и других видов электрооборудования промышленной системы элек­троснабжения или электроэнергетической системы автономного объекта — зто способность их одновременного функционирования без нарушения за­данных режимов работы с сохранением технических и эксплуатационных оежимов электрооборудования. Естественно, что такое функционирование должно обеспечиваться в любом эксплуатационном режиме в течение всего срока службы.

Схема электрической сети (рис. 2.5) состоит из СПП, получающих пита­ние от распределительного щита (РЩ), объекта регулирования (ОР) и кон­денсаторных батарей (КБ). Питание на распределительный щит поступает от силового трансформатора Гили синхронного генератора либо от нескольких трансформаторов или генераторов, соединенных параллельно. Потребители электроэнергии в представленной схеме условно разделены на две группы: труппа П1 — потребители, нечувствительные к искажениям по напряжению, группа П2 — чувствительные. Здесь же условно показана окружающая среда і ОС). Кроме того, на схеме стрелками показано воздействие СПП на электро­оборудование и потребители сети, объект регулирования или питания, окру­жающую среду. Также показаны воздействия, которым подвергается СПП со стороны электрооборудования и потребителей сети, объекта регулирования или питания, окружающей среды.

Воздействие СПП на сеть проявляется в виде генерирования в нее гармо­ник напряжения и токов различной физической природы и потребления из нее реактивной мощности. Воздействие СПП на объект регулирования проявляется в ис­кажении формы напряжения на входных за­жимах объекта, т. е. в появлении в спектре напряжения высших гармонических состав­ляющих.

Воздействие СПП на окружающую среду заключается в следующем. Амплитудно-час - тотные спектры напряжений и токов на входе и выходе СПП отличаются достаточно ши­роким диапазоном частот — от нескольких герц до нескольких десятков и даже сотен мегагерц. При некоторых определенных час­тотах токопроводящие части СПП начина­ют излучать электромагнитную энергию в
окружающую среду. Иными словами, статический преобразователь является генератором излучения помех. В свою очередь, окружающая среда также со­здает наводки и помехи в системах управления преобразователем.

Исходя из многообразия перечисленных воздействий для обеспечения элек­тромагнитной совместимости СПИ с потребителями промышленных сетей целесообразно использовать следующие технические меры: экранирование статического преобразователя как источника электромагнитных помех; защи­ту статического преобразователя от воздействия внешних помех; индивиду­альную защиту ответственных потребителей; минимизацию гармонических составляющих напряжения и тока, генерируемых в сеть.

Важнейшим фактором в проблеме ЭМС является генерирование преобра­зователями высших гармоник тока и напряжения и влияние их на качество электроэнергии. Стандарт устанавливает ряд следующих показателей, влия­ющих на качество электроэнергии в установившихся режимах [32]:

Установившееся отклонение напряжения А Цст — разность между действи­тельным U и заданным (номинальным) £/ном значениями напряжений, выра­женная в процентах от номинального значения, АЦСТ = [(£/- UH0M)/UH0M] ■ 100;

Установившееся отклонение частоты Afycr — разность между действитель­ным / и заданным (номинальным) /ном значениями частоты, выраженная в процентах от номинального значения, Д/>ст = [(/-/НОм)//Ном] • Ю0;

Коэффициент небаланса напряжений трехфазной системы А"неб — величина, равная разности наибольшего f/max и наименьшего Ј/min значений линейных напряжений в трехфазных системах, выраженная в процентах от номинально­го значения, КжЬ = [(Ј/max - Umm)/UH] ■ 100;

Коэффициент амплитудной модуляции напряжения Кыоаи— величина, рав­ная отношению полуразности наибольшей 1)т тачи наименьшей Ummin ампли­туд линейного напряжения (при наличии его модуляции) к амплитудному но­минальному значению напряжения, выраженная в процентах, KMOaU - | (Ummax. -

- F/mmin)/(2t/mHOM)].100;

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, или ко­эффициент несинусоидальности, или коэффициент нелинейных искажений Км — величина, равная отношению корня квадратного из суммы квадратов амплитудных значений высших гармонических составляющих данной перио­дической кривой напряжения Umn0M к амплитудному значению основной (пер­вой) гармоники, выраженная в процентах,

(Допустимый коэффициент искажения синусоидальности напряжения оп­ределяет ГОСТ 13109-97, табл. 1, 2);

Коэффициент пульсации, характеризующий качество напряжения в сетях постоянного тока. Кпули — отношение максимального мгновенного значения переменной составляющей t/max к номинальному значению постоянной со­ставляющей £УН0М, выраженное в процентах, KnynU = (Umax/UU0M) ■ 100.

Гармонический состав тока, потребляемого преобразователями из сети. Ос­нову СИП составляют полупроводниковые приборы, по своей сущности яв­ляющиеся нелинейными элементами. Работа преобразователей основана на переключении (коммутации) групп тиристоров, транзисторов или диодов, и во всех схемах этот процесс вызывает потребление из сети несинусоидального тока, вследствие чего происходит искажение синусоидальности формы кри­вой напряжения сети.

Ток, потребляемый выпрямителем из сети, можно представить в виде гар­монического ряда, содержащего основную гармонику п = 1, частота которой равна частоте напряжения сети, и некий спектр высших гармоник. Гармони­ческий состав потребляемого из сети тока зависит от схемы выпрямления, а точнее от числа тактов т = fjjё, где /п — частота пульсаций выпрямленного напряжения;^ — частота напряжения сети переменного тока. При этом кри­вая первичного тока выпрямителя кроме основной гармоники содержит выс­шие гармонические составляющие, порядок которых определяется выраже­нием п = km + 1, где к = 1, 2, 3 ...

Относительные значения амплитуд высших гармоник при идеально сгла­женном выпрямленном токе /*„тах= /„max A max > h max ~ ЭМПЛИТуДЭ ПЄрВОЙ гармоники потребляемого тока.

Искажения напряжения сети, вносимые СПП. для разных их схем харак­теризуются различным составом высших гармоник. Поскольку искажения кри­вой напряжения возникают из-за падения напряжения от токов высших гар­монических составляющих на импедансах элементов электросети (источника, кабельной линии, трансформаторов, реакторов и т. д.), то спектр частот гар­моник напряжения сети совпадает со спектром частот гармоник тока, потреб­ляемого преобразователем из сети. Так, порядок высших гармоник напряже­ния, вносимых трехфазными двухполупериодными схемами выпрямления в сеть, определяется выражением п = 6к ± 1. где к= 1, 2, 3, ... Такие гармоники называются каноническими. Для трехфазного двухполупериодного выпрями­теля канонические гармоники сетевого напряжения имеют порядок 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т. д. Для двенадцатифазных схем выпрямления канонические гар­моники имеют порядок 1 1, 13, 23, 25 и т. д.

Падение напряжения на индуктивностях сети от протекания п-й гармони­ки тока Un = 1„Хп, где 1„ — ток п-й гармоники; Х„ — эквивалентное сопротив­ление элементов сети для п-й гармоники. Соответственно определяющими для искажений напряжения будут факторы, влияющие на каждый из сомножите­лей этой формулы. При прочих одинаковых условиях (схема преобразователя, режим работы и др.) амплитуды гармоники тока увеличиваются с ростом мощности преобразователя. На гармоники тока преобразователя влияют также глубина регулирования выходного напряжения и индуктивное сопротивление входного трансформатора (или реактора) преобразователя. При постоянстве тока нагрузки преобразователя с ростом глубины регулирования выходного напряжения амплитуды гармоник его первичного тока увеличиваются, а сле­довательно, увеличиваются и вносимые искажения. С увеличением индуктив­ного сопротивления входного трансформатора (реактора) амплитуды гармо­ник тока уменьшаются.

В настоящее время в связи с широким использованием полностью управля­емых коммутирующих полупроводниковых элементов получают распростра­нение преобразователи частоты с активными выпрямителями (АВ). При ис­пользовании специальных систем управления АВ могут служить статическим компенсирующими устройствами и обеспечивать повышение коэффициента мощности и снижение коэффициента нелинейных искажений.

Высшие гармоники в выпрямленном напряжении и напряжении автономного инвертора. Кривые выпрямленного напряжения на выходе полупроводнико­вых выпрямителей представляют собой периодические функции и могут быть разложены в ряд Фурье:

/і----'

Ud(®t) = Udcp + X ^ягпах Sin(«/mor + <p„),

Я=1

Где Udср = f{Udо, cos а) — среднее значение выпрямленного напряжения; UM — среднее значение выпрямленного напряжения при угле регулирования а = 0; Unmax — амплитудное значение п-й гармоники напряжения; ф„ — угол сдвига.

Относительная амплитуда п-й гармоники

,,, ^ ^п Max = 2 COS Сц/і + (тП Tg Ct)^

"тах~ Udо " {mnf-l

Откуда следует, что амплитуды высших гармоник (при прочих равных услови­ях) увеличиваются с увеличением угла а.

Напряжение на выходе преобразователей частоты с автономными инвер­торами напряжения и синусоидальной широтно-импульсной модуляцией также представляет собой совокупность основной и набора высших гармоник напря­жения. Порядок высших гармонических составляющих для трехфазного мосто­вого автономного инвертора также определяется выражением п~6к± 1. Амп­литудные значения гармоник напряжения определяются не только напряже­нием на входе инвертора и номером гармоники, но и числом импульсов модуляции в периоде основной гармоники. Аналитический вывод этих зависи­мостей достаточно сложен и приводится в специальной литературе.

Ущерб, наносимый электрооборудованию высшими гармоническими состав­ляющими напряжения. Наличие высших гармоник в кривой сетевого напряже­ния снижает надежность и качество работы электрооборудования технологи­ческих установок. В общем случае технико-экономический ущерб, наносимый высшими гармониками напряжения, можно представить в виде нескольких составляющих: У = У_,+ Уи+ Ук+ Ус, где Уэ — ущерб, обусловленный дополни­тельными потерями электроэнергии в сети; Уи — ущерб, обусловленный ус­коренным старением изоляции электрических машин и кабельных линий; Ук — ущерб, обусловленный воздействием высших гармоник на конденсаторные установки; Ус — ущерб, обусловленный ложным срабатыванием устройств за­щит и средств автоматики. Дадим количественные оценки перечисленных со­ставляющих технико-экономического ущерба.

Дополнительные потери энергии в электрооборудовании при коэффици­енте несинусоидальности Ки~ 5% составляют 1,5...3,0 %. При увеличении Кк эти потери возрастают. Таким образом, зная мощность электрооборудования, входящего в состав электросети предприятия, и тарифы на электроэнергию, действующие в энергосистеме, к которой относится предприятие, можно до­вольно ТОЧНО количественно оценить y. j.

Составляющую технико-экономического ущерба Уи можно оценить лишь приблизительно. Увеличение отчислений на капитальный ремонт электро­двигателей, трансформаторов и кабельных линий, эксплуатируемых при ко­эффициентах несинусоидальности напряжения Ки> 5%, должно составлять ориентировочно 5... 10%. Практика показывает, что при несинусоидальном напряжении сети возрастает также стоимость текущих ремонтов электричес­ких машин и силовых кабелей. Так, при Кн = 5... 10% суммарные амортиза­ционные отчисления по кабельному хозяйству возрастают на 5... 10%, если ле Ки= 10... 15%, то суммарные амортизационные отчисления возрастают ло 15%.

В электрических сетях современных промышленных предприятий широко используются конденсаторные установки различного назначения, например, компенсаторы реактивной мощности, электрические фильтры и др. При на­личии высших гармоник в кривой напряжения на обкладках конденсатора процесс старения диэлектрика протекает также значительно интенсивней. Это явление объясняется тем, что физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие их старение, значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля.

При несинусоидальном напряжении сети питания возрастают погрешно­сти систем защиты, индукционных счетчиков, систем импульсно-фазового управления, ухудшается работа телемеханических устройств и т. д. Примене­ние дополнительных технических средств для зашиты этих систем, таких как ішльтрьі и автономные источники питания, увеличивает их стоимость. Выс­шие гармоники затрудняют также использование силовых кабелей в качестве канатов связи для телемеханических систем. Это приводит к дополнительным затратам на организацию специальных каналов связи, а в отдельных случаях вынуждает использовать более дорогие устройства телемеханики.