Рис. Схема устройства АЧР по скорости снижения частоты.

Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока.

На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольт-амперные характеристики которых нелинейны. K их числу относятся тиристорные преобразователи, установки дуговой и контактной сварки, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, газоразрядные лампы и др. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, несинусоидальные режимы.

Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие при этом экономические ущербы обусловлены главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электросетей и сокращение срока службы электрооборудования.

Основной круг вопросов , составляющих содержание проблемы несинусоидальности, сводится к следующим:

- оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок;

- количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозирование значений высших гармоник тока и напряжения в электросетях.

- снижение уровней высших гармоник

Известно, что любую несинусоидальную периодическую функцию f(wt) с периодом 2p, удовлетворяющую условию Дирихле можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных величин с кратными частотами. Такие синусоидальные составляющие называются гармониками.

Синусоидальная составляющая, период которой равен периоду несинусоидальной периодической величины, называется основной гармоникой. Остальные составляющие синусоиды с частотами со второй по n-ю называются высшими гармониками.

Согласно теореме Фурье, мгновенное значение функции f(wt) может быть представлено

тригонометрическим рядом.

где А0 - постоянная составляющая;

n - номер гармоники;

а, b - коэффициенты ряда Фурье;

n - номер последней из учитываемых гармоник.

Коэффициенты ряда Фурье определяются по формулам:

Амплитуду n-й гармоники определяют из выражения

а начальную фазу n-й гармоники

Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

Основные источники высших гармоник.

Вентильные преобразователи

Полупроводниковые преобразовательные устройства находят широкое применение на заводах черной и цветной металлургии и предприятиях химической промышленности. Потребителями постоянного тока на предприятиях являются регулируемый электропривод, электролизные установки, гальванические ванны, электрифицированный железнодорожный транспорт, магнитные сепараторы и др. технологические установки.

На промышленных предприятиях наибольшее применение получили трехфазные мостовые схемы. Эти схемы являются также основой для построения более сложных схем многомостовых преобразователей.

Для мостового преобразователя кривая сетевого тока при соединении первичной обмотки трансформатора преобразователя в звезду имеет вид, показанный на рис.

Форма кривой зависит от угла управления a, задаваемого системой импульсно-фазового управления, и угла коммутации g.

Порядок (номера) гармоник сетевых токов определяется выражением

где р- число фаз преобразователя;

k =1,2,3 .

Для мостового преобразователя, у которого р=6,

n=5;7;11;13;17;19;23;25; .

Амплитуда n-й гармоники определяется выражением

где

Еm- амплитуда ЭДС питающей энергосистемы

y=a+g/2 - угол сдвига по фазе между кривыми ЭДС 1-й гармоники сетевого тока.

Начальная фаза сдвига n-й гармоники определяется достаточно точно по формуле:

В практических расчетах y удобно находить по выражению:

где Ud иUd0 - средние значения выпрямленного напряжения преобразователя соответственно в режимах нагрузки и холостого хода.

Проведенные исследования показали, что в амплитудных спектрах первичных токов преобразователей содержатся как канонические гармоники (n=5,7,11,13,17,19 ), так и неканонические или анормальные гармоники (n=2,3,4,6,8 ). Основной причиной появления анормальных гармоник является асимметрия импульсов управления, свойственная всем системам управления. Амплитуды анормальных гармоник по сравнению с амплитудами канонических гармоник как правило, невелики.

На базе трехфазной мостовой схемы реализуются ряд схем преобразователей применяемых в электроприводе:

- Тиристорный электропривод на базе вентильного двигателя;

- Асихронный вентильный каскад;

- Скомпенсированный вентильный электропривод;

- Привод на базе асинхронного двигателя с использованием частотного регулирования частоты вращения.

Дуговые сталеплавильные электропечи

Нелинейность вольт-амперной характеристики дуги приводит к генерации печами токов высших гармоник. Формы кривых тока печей в большой степени зависят от режима горения дуги в разные периоды плавки. В начальный период расплавления ток печи колеблется между токами режима холостого хода и короткого замыкания, форма кривых токов значительно отличается от синусоидальной. С появлением жидкого металла плавку ведут при короткой дуге, колебания тока сравнительно меньше. Форма кривых тока улучшается и приближается к синусоидальной.

В сравнении с вентильными преобразователями той же мощности уровни гармоник, генерируемых дуговыми печами, оказываются в 3¸4 раза меньше. Сказанное относится к периоду расплавления, поэтому для практических целей важно знать уровни гармоник для периода расплаления.

Токи гармоник для практических расчетов рекомендуют принимать

где Iп,Т - номинальный ток печного трансформатора

Уровень 5,7,11 и 13-й гармоник тока, генерируемых электродуговыми печами, относительно невелик. Эквивалентное действующее значение их не превосходит 10% тока 1-й гармоники. В токах дуговых электропечей содержатся также анормальные 2,3,4,6-я гармоники. Основными причинами появления анормальных гармоник являются непрерывное изменение условий горения дуг печи и неполное выравнивание сопротивлений короткой сети. Эквивалентное действующее значение токов высших гармоник в токе за счет анормальных гармоник возрастает в 1,8¸2 раза.