Уменьшение несинусоидальности напряжения

Снижение несинусоидальности питающего напряжения является актуальной технической задачей, решение которой позволяет достичь значительного экономического эффекта. В настоящее время разработано ряд способов решения данной задачи.

Эффективным способом снижения несинусоидальности в электрических сетях является улучшение формы кривой сетевого тока преобразователей. Это достигается компенсацией высших гармоник магнитного потока трансформатора преобразователя наложением токов 3-, 9-, 15-й и более высоких гармоник на токи обмоток трансформатора (рис. 7.17). Фильтр 1 пропускает только токи высших гармоник, которые, проходя по усилителю 2 и третичной обмотке трансформатора преобразователя, создают магнитный поток, противоположный по направлению основному потоку, тем самым компенсируя высшие гармоники данного потока. Для улучшения формы кривой сетевого тока преобразователя применяют также специальные микропроцессорные схемы управления, позволяющие осуществлять ввод дополнительных токов гармоник непосредственно от преобразователя.

Мощным средством улучшения синусоидальности кривой напряжения является увеличение числа фаз преобразователей. Действительно, в соответствии с формулой (7.1) спектральный состав токов преобразователя определяется числом фаз выпрямления r. При r = 6 в токе преобразователя содержатся 5-, 7-, 11-, 13-, 17-, 19-, 23-, 25-й и т.д. гармоники, а при r = 12 только – 11-, 13-, 23-, 25-й и т.д. гармоники. При этом коэффициент несинусоидальности кривой напряжения уменьшается примерно в 1,4 раза. Многофазный режим реализуется с использованием трансформаторов преобразователей с одной трехфазной сетевой обмоткой и соединенными в сложный зигзаг вторичными обмотками, расположенными на общей магнитной системе. Учитывая сложность, высокую стоимость и низкую надежность преобразователей при r > 12 в большинстве случаев ограничиваются 12-фазными схемами, хотя имеется опыт применения трансформаторов с большим числом фаз – 18, 24 и более.

Увеличение числа фаз выпрямления возможно также посредством условно-многофазных схем преобразования. Известно, что трехфазный мостовой преобразователь реализует условно-шестифазную схему выпрямления, т.е. частота пульсаций выпрямленного напряжения в таких преобразователях получается шестикратной по сравнению с частотой напряжения сети. На практике широко применяют условно-двенадцатифазные схемы выпрямления, образуемые посредством двух трехфазных мостовых выпрямителей при соединении сетевой обмотки одного трансформатора в звезду, другого – в треугольник (рис. 7.18).

Компенсацию 5-, 7-й и выше гармоник в таких преобразователях можно пояснить таким образом. Векторы 5-й гармоники тока образуют симметричную систему обратной последовательности, вращающуюся относительно векторов напряжения основной частоты с круговой частотой 6× w. Векторы 7-й гармоники образуют систему прямой последовательности, вращающуюся с относительной частотой 6× w в ту же сторону, что и векторы напряжения основной частоты. При соединении сетевых обмоток трансформаторов в звезду и треугольник сдвиг по фазе между векторами напряжений составляет 30^о, следовательно, векторы высших гармоник токов одноименных фаз, сдвинутые на угол 30^о´6 =180^о, окажутся в противофазе, и будут взаимно компенсироваться на шинах подстанции. Тоже относится к 17-, 19-й и другим гармоникам.

Схемы 18- и 24-фазных преобразователей получают посредством комбинации соответственно трех и четырех трехфазных мостовых схем выпрямления.

Находят также применение преобразователи, в которых сдвиг по фазе между векторами напряжений, подводимых к трансформатору, обеспечивается специальным фазоповоротным трансформатором, подключаемого перед трансформатором преобразователя.

Снижение уровней высших гармоник в электросетях является частью общей задачи уменьшения влияния нелинейных нагрузок на питающую сеть и улучшения качества электроэнергии в сетях.

Естественно стремление к комплексному решению этой задачи, используя многофункциональные устройства, что является более экономически выгодным, чем, например, использование мероприятий по улучшению формы сетевого тока преобразователя. Примером таких многофункциональных устройств являются фильтрокомпенсирующие устройства, которые наряду со снижением уровней высших гармоник генерируют в питающую сеть реактивную мощность. В таких устройствах фильтры представляют собой контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости (рис. 7.19).

Каждое звено сетевого резонансного фильтра (СРФ) настроено на частоту определенной гармоники.

Сопротивление такого звена фильтра току гармоники n определяется

где Х_L, Х_С – сопротивление соответственно реактора и батареи конденсатора току промышленной частоты.

С увеличением частоты индуктивное сопротивление реактора увеличивается пропорционально, а емкостное сопротивление батареи конденсаторов уменьшается обратно пропорционально номеру гармоники. На частоте одной из гармоник индуктивное сопротивление становится равным емкостному сопротивлению и в цепи звена фильтра возникает резонанс напряжений. При этом сопротивление звена X_n току резонансной частоты равно нулю и оно шунтирует электрическую систему на этой частоте. Номер гармоники n резонансной частоты может быть вычислен по формуле

Идеальный фильтр полностью отфильтровывает токи гармоник, на частоту которых настроены его звенья. Практически же наличие активных сопротивлений реакторов и батарей конденсаторов и неточная настройка звеньев фильтра приводит к неполной фильтрации гармоник. Фильтр является одновременно и источником реактивной мощности. Параметры фильтров подбираются таким образом, чтобы звенья были настроены в резонанс на частоты фильтруемых гармоник, а их емкости позволяли бы генерировать необходимую реактивную мощность на промышленной частоте. Такие фильтры могут присоединяться как в месте генерации высших гармоник, так и в узлах сети с недопустимым уровнем гармоник тока. В настоящее время фильтрокомпенсирующие устройства не нашли пока широкого применения из-за их достаточно высокой стоимости и повышенной чувствительности к точности настройки. По последней причине может быть даже усиление отдельных гармоник напряжения на шинах подстанции. Однако данная задача остается актуальной, и в последнее время разработаны серии комплектных силовых резонансных фильтров 5-, 7-, 11- и 13-й гармоник с регулируемым реактором для сетей 10(6) кВ мощностью 1200 квар для 5- и 7-й гармоник и мощностью 800 квар для 11-й и 13-й гармоник. В электрических сетях стран Западной Европы, США и Японии фильтрокомпенсирующие устройства получили широкое применение и им отдают предпочтение, перед решением, связанным с увеличением фаз преобразователей.