onetwoclick.ruИскажения синусоидальности кривых напряжений и токов вызываются работой ЭП с нелинейной вольтамперной характеристикой и регулируемых преобразователей переменного тока в постоянный. Кривые тока и напряжения в этих случаях приобретают вид, отличный от синусоиды (кривая U на рис. 8.5). Пользуясь методом гармонических составляющих, можно исходную несинусоидальную кривую разложить на сумму синусоидальных с определенными значениями амплитуд гармоник и их начальных углов. На рис. 8.5 приведена кривая напряжения, содержащая первую U1 и пятую U5 гармоники. Вид кривой U зависит не только от амплитуды гармоники, но и от ее фазового угла относительно U1 (угол ?5 ). При увеличении ?5 точка а будет сдвигаться вправо и вверх, а точка б – вправо и вниз. Максимальное значение мгновенного напряжения снизится. Для некоторых типов электронного оборудования максимальное значение мгновенного напряжения оказывает существенное влияние на нормальную работу, поэтому контроль только амплитуд гармоник может оказаться недостаточным. Воздействие на режимы работы ЭП напряжения U такое же, как и суммарное воздействие напряжений U1 и U5 , поэтому гармонический анализ является удобным методом анализа несинусоидальных режимов.
Рис. 8.5. Разложение несинусоидальной кривой на синусоидальные составляющие
Известно, что индуктивные XLv и емкостные XСv сопротивления на частоте гармоники v связаны с сопротивлениями XL и Хc на основной частоте соотношениями:
Поэтому при возникновении на вводе оборудования v-й гармоники напряжения ее ток в ЭП индуктивного характера (например, в реакторе) будет в процентном отношении в v раз меньше, чем Uv , а в ЭП емкостного характера (например, в батарее конденсаторов) – в v раз больше. Это вызывает перегрев конденсаторов и выход их из строя.
Гармоники создают магнитные поля различных последовательностей. Так как кривые напряжений в каждой фазе сдвинуты между собой на 120° (на полный период третьей гармоники), то третьи гармоники во всех фазах совпадают друг с другом по углу и образуют нулевую последовательность. Аналогично ведут себя все гармоники, кратные трем. Поэтому токи гармоник, кратных трем, не могут существовать в трехфазной сети без нулевого провода или выйти за пределы обмоток, соединенных в треугольник. Порядок чередования фаз для гармоник v = 4, 7, 10, 13… (v – 1 делится на 3) совпадает с прямой последовательностью, а гармоник v = 2, 5, 8, 11… (v + 1 делится на 3) – с обратной.
Еще сложнее воздействие гармоник, амплитуды которых различны в каждой фазе. Такое положение возникает при подключении к сети однофазных преобразователей, каждый из которых регулируется по собственной нагрузке. В этом случае несимметричная система векторов каждой гармоники может быть, в свою очередь, разложена на симметричные составляющие. При этом обратная последовательность гармоник v = 2, 5, 8, 11… будет совпадать с чередованием фаз основной частоты, а гармоник v = 4, 7, 10, 13… – иметь обратный порядок. Источниками несимметричных гармоник являются тяговые подстанции железных дорог, электрифицированных на переменном токе, а также дуговые сталеплавильные печи.
Преобразовательные агрегаты генерируют в сеть гармоники, порядок которых определяется формулой v = k n ± l, где k – пульсность преобразователя, а п – целые числа от 1 до ?. Так, шестипульсный преобразователь генерирует в сеть гармоники 5, 7, 11, 13, 17, 19 и далее; 12-пульсный – 11, 13, 23, 25 и далее. Ток v-й гармоники преобразователя Iv ? I1 /v , поэтому, например, I5 ? 0,2 I1 , I25 ? 0,04 I1 и т. д. Токи дуговых сталеплавильных печей содержат более широкий спектр гармоник, включая некоторые четные гармоники, наиболее выраженными из которых являются вторая и четвертая. Экспериментальные исследования показали, что для дуговых печей справедливо соотношение Iv ? I1 /v 2 .
Процентное содержание гармоник в кривой напряжения при отсутствии резонанса ниже, чем в кривой тока. Если потери напряжения при прохождении тока I1 по сопротивлению прямой последовательности Х1 составляют ?U1 , %, то напряжение Uv , вызываемое прохождением тока Iv по индуктивному сопротивлению Xv = v X1 , составит Uv = Iv v X1 . Для преобразователя Iv ? I1 /v и напряжение каждой гармоники равно потере напряжения на основной частоте ?U1 ? I1 X1 . На практике преобразовательная нагрузка составляет лишь часть общей нагрузки и потери напряжения ?U1 , вызываемые ею, также составляют часть потерь, обусловленных всеми нагрузками. Кроме того, в сети существуют ЭП, имеющие емкостной характер и обладающие малыми сопротивлениями для гармоник. Гармоники тока частично замыкаются на землю через эти ЭП и не проходят полностью по сопротивлению внешней сети Xv . Однако, несмотря на это, уровень гармоник напряжения в сети может быть недопустимо большим. Еще больше он может увеличиться вследствие резонансных явлений.
