Висши хармоници в криви на ток и напрежение и технитевъздействие върху електрическото оборудване

Електромагнитната съвместимост (EMC) на полупроводникови преобразуватели и други видове електрическо оборудване на промишлена система за захранване или електрическа система на автономен обект е способността им да работят едновременно, без да нарушават определените режими на работа, като същевременно поддържат техническите и експлоатационните режими на електрическото оборудване. Естествено, такова функциониране трябва да се осигури във всеки режим на работа през целия експлоатационен живот.

Схемата на електрическата мрежа (фиг. 2.5) се състои от SPP, които се захранват от разпределително табло (RShch), регулиран обект (OR) и кондензаторни батерии (KB). Разпределителното табло се захранва от силовия трансформатор Gili на синхронния генератор или от няколко паралелно свързани трансформатора или генератора. Консуматорите на електроенергия в представената схема са условно разделени на две групи: група P1 - консуматори, нечувствителни към изкривявания на напрежението, група P2 - чувствителни. Тук условно са показани средата и ОС. Освен това стрелките на диаграмата показват въздействието на СПП върху електрическото оборудване и потребителите на мрежата, обекта на регулиране или захранване и околната среда. Показва и въздействията, на които е изложено NGN от електрическите съоръжения и консуматорите на мрежата, обекта на регулиране или захранване, околната среда.

Въздействието на SPP върху мрежата се проявява под формата на генериране на хармоници на напрежение и ток от различно физическо естество в нея и потребление на реактивна мощност от нея. Въздействието на SPP върху регулирания обект се проявява в изкривяване на формата на напрежението на входните клеми на обекта, т.е. в поява на висши хармонични компоненти в спектъра на напрежението.

висши

Ориз. 2.5. Схема на електрическата мрежа

Въздействието на NGN върху околната среда е както следва. Амплитудно-честотните спектри на напрежения и токове на входа и изхода на SPP се различават в доста широк честотен диапазон - от няколко херца до няколко десетки и дори стотици мегахерца. При определени честоти проводимите части на SPP започват да излъчват електромагнитна енергия в околната среда. С други думи, статичният преобразувател е генератор на шумови емисии. От своя страна околната среда също създава смущения и шум в системите за управление на преобразувателя.

Въз основа на разнообразието от изброени ефекти е препоръчително да се използват следните технически мерки за осигуряване на електромагнитна съвместимост на SPI с потребители на индустриални мрежи: екраниране на статичния преобразувател като източник на електромагнитни смущения; защита на статичния преобразувател от въздействието на външни смущения; индивидуална защита на отговорните потребители; минимизиране на генерираните в мрежата хармонични компоненти на напрежение и ток.

Най-важният фактор в проблема с ЕМС е генерирането на по-високи хармоници на ток и напрежение от преобразуватели и тяхното влияние върху качеството на електроенергията. Стандартът установява редица от следните показатели, които влияят върху качеството на електроенергията в стационарни условия [32]:

Стабилно отклонение на напрежението A Cst - разликата между действителните U и дадените (номинални) £ / номинални стойности на напрежението, изразени като процент от номиналната стойност, ATsST \u003d [(£ / - UH0M) / UH0M] ■ 100;

Постоянното отклонение на честотата Afycr е разликата между действителните / и дадените (номинални) /nom честотни стойности, изразени като процент от номиналната стойност, D/>st = [(/-/NOm)//Nom] • Yu0;

Фактор на дисбаланс на стресатрифазна система A "neb - стойност, равна на разликата между най-големите f / max и най-малките J / min стойности на линейните напрежения в трифазни системи, изразени като процент от номиналната стойност, Kzhb \u003d [(J / max - Umm) / UH] ■ 100;

Коефициентът на амплитудна модулация на напрежението Kyoai е стойност, равна на съотношението на полуразликата на най-голямата 1) tachi на най-малката амплитуда Ummin на линейното напрежение (при наличие на неговата модулация) към амплитудната номинална стойност на напрежението, изразена в проценти, KMOaU - (Ummax. -

Коефициентът на изкривяване на синусоидалността на кривата на напрежението или коефициентът на несинусоидалност или коефициентът на нелинейно изкривяване Km - стойност, равна на съотношението на квадратния корен от сумата от квадратите на амплитудните стойности на по-високите хармонични компоненти на дадена периодична крива на напрежението Umn0M към амплитудната стойност на основния (първи) хармоник, изразена като процент ,

(Допустимият коефициент на изкривяване на синусоидалното напрежение се определя от GOST 13109-97, таблици 1, 2);

Коефициент на пулсации, характеризиращ качеството на напрежението в постояннотокови мрежи. Kpuli е отношението на максималната моментна стойност на променливия компонент t/max към номиналната стойност на постоянния компонент £UN0M, изразено като процент, KnynU = (Umax/UU0M) ■ 100.

Хармоничен състав на тока, консумиран от преобразувателите от мрежата. Основата на SIP са полупроводникови устройства, които по своята същност са нелинейни елементи. Работата на преобразувателите се основава на превключване (превключване) на групи от тиристори, транзистори или диоди, като във всички вериги този процес предизвиква потребление на несинусоидален ток от мрежата, в резултат на което се изкривява синусоидалната форма на кривата на мрежовото напрежение.

Токът, консумиран от токоизправителя от мрежата,може да се представи като хармонична серия, съдържаща основния хармоник n = 1, чиято честота е равна на честотата на мрежовото напрежение, и определен спектър от висши хармоници. Хармоничният състав на тока, консумиран от мрежата, зависи от коригиращата верига, или по-скоро от броя на циклите m = fjjё, където / n е честотата на пулсации на ректифицираното напрежение; ^ е честотата на променливотоковото напрежение. В този случай първичната крива на тока на токоизправителя, в допълнение към основния хармоник, съдържа по-високи хармонични компоненти, чийто ред се определя от израза n = km + 1, където k = 1, 2, 3.

Относителни стойности на амплитудите на висшите хармоници при идеално изгладен изправен ток /*„max= /„max A max > hмакс

ЕМПЛИТУДА НА ПЪРВИ хармоник на консумирания ток.

Изкривяване на мрежовото напрежение, въведено от NGN. тъй като техните различни схеми се характеризират с различен състав на висшите хармоници. Тъй като изкривяването на кривата на напрежението се дължи на спада на напрежението от токовете на по-високи хармонични компоненти върху импедансите на елементите на електрическата мрежа (източник, кабелна линия, трансформатори, реактори и др.), Хармоничният честотен спектър на мрежовото напрежение съвпада с хармоничния честотен спектър на тока, консумиран от преобразувателя от мрежата. По този начин редът на хармониците с по-високо напрежение, въведени от трифазни вериги за коригиране на две половин вълни в мрежата, се определя от израза n \u003d 6k ± 1. където k \u003d 1, 2, 3, . Такива хармоници се наричат ​​канонични. За трифазен пълновълнов токоизправител каноничните хармоници на мрежовото напрежение са от порядъка на 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т.н. За дванадесетфазните токоизправителни вериги каноничните хармоници са от порядъка на 1 1, 13, 23, 25 и т.н.

Пад на напрежение върху индуктивностите на мрежата от протичането на n-тия хармоник на тока Un = 1„Xp, където 1„ е токът на n-тия хармоник; Х„ - еквивалентсъпротивление на мрежовите елементи за n-тия хармоник. Съответно, определящите фактори за изкривяване на напрежението ще бъдат факторите, засягащи всеки от факторите на тази формула. При други идентични условия (верига на преобразувателя, режим на работа и т.н.) токовите хармонични амплитуди се увеличават с увеличаване на мощността на преобразувателя. Токовите хармоници на преобразувателя също се влияят от дълбочината на регулиране на изходното напрежение и индуктивното съпротивление на входния трансформатор (или реактор) на преобразувателя. При постоянен ток на натоварване на преобразувателя, с увеличаване на дълбочината на регулиране на изходното напрежение, амплитудите на хармониците на неговия първичен ток се увеличават и следователно се увеличават и въведените изкривявания. С увеличаване на индуктивното съпротивление на входния трансформатор (реактора) амплитудите на токовите хармоници намаляват.

В момента, поради широкото използване на напълно контролирани превключващи полупроводникови елементи, честотните преобразуватели с активни токоизправители (AB) набират популярност. Когато се използват специални системи за управление, AB може да служи като статично компенсиращо устройство и да осигури увеличаване на фактора на мощността и намаляване на коефициента на нелинейно изкривяване.

Висши хармоници в изправеното напрежение и напрежението на автономния инвертор. Кривите на изправеното напрежение на изхода на полупроводниковите токоизправители са периодични функции и могат да бъдат разширени в серия на Фурие:

Ud(®t) = Udcp + X

Относителна амплитуда на n-тия хармоник

Откъдето следва, че амплитудите на висшите хармоници (при други равни условия) нарастват с увеличаване на ъгъла a.

Напрежение на изхода на честотни преобразуватели с автономни инвертори на напрежение и синусоидална ширина на импулсамодулацията също е комбинация от основните и набор от хармоници на по-високо напрежение. Редът на по-високите хармонични компоненти за трифазен мостов независим инвертор също се определя от израза p

6k± 1. Стойностите на амплитудата на хармониците на напрежението се определят не само от напрежението на входа на инвертора и броя на хармониците, но и от броя на модулационните импулси в периода на основния хармоник. Аналитичното извеждане на тези зависимости е доста сложно и е дадено в специализираната литература.

Повреда, причинена на електрическо оборудване от компоненти с по-високо хармонично напрежение. Наличието на висши хармоници в кривата на мрежовото напрежение намалява надеждността и качеството на електрообзавеждането на технологичните инсталации. В общия случай технико-икономическите щети, причинени от хармоници с по-високо напрежение, могат да бъдат представени като няколко компонента: U = U_, + Ui + Uk + Uc, където Ue е щетата, причинена от допълнителни загуби на електроенергия в мрежата; Ui - повреди, причинени от ускорено стареене на изолацията на електрически машини и кабелни линии; Uk - повреда, причинена от въздействието на висши хармоници върху кондензаторни блокове; Us - щети, причинени от неправилно сработване на защитни устройства и оборудване за автоматизация. Нека дадем количествени оценки на изброените компоненти на техническите и икономическите щети.

Допълнителни загуби на енергия в електрическо оборудване с коефициент на несинусоидалност Ki

5% е 1,5. 3,0%. С увеличаването на Kk тези загуби нарастват. По този начин, знаейки мощността на електрическото оборудване, което е част от електрическата мрежа на предприятието и действащите тарифи за електроенергия в електроенергийната система, към която принадлежи предприятието, е възможно да се определи количествено y доста ТОЧНО. й.

Компонент на технически и икономически щети Wuyiможе да се оцени само приблизително. Увеличаване на отчисленията за основен ремонт на електродвигатели, трансформатори и кабелни линии, работещи при несинусоидални коефициенти на напрежение Ki > 5% трябва да бъде приблизително 5,10%. Практиката показва, че при несинусоидално напрежение на мрежата се увеличават и разходите за текущи ремонти на електрически машини и захранващи кабели. И така, при Kn = 5,10%, общите амортизационни такси за кабелната индустрия се увеличават с 5,10%, ако le Ki = 10,15%, тогава общите амортизационни такси се увеличават с 15%.

В електрическите мрежи на съвременните промишлени предприятия широко се използват кондензаторни единици за различни цели, например компенсатори на реактивна мощност, електрически филтри и др. При наличие на по-високи хармоници в кривата на напрежението върху кондензаторните пластини процесът на стареене на диелектрика също протича много по-интензивно. Това явление се обяснява с факта, че физикохимичните процеси в диелектриците, които предизвикват тяхното стареене, се ускоряват значително при високи честоти на електрическото поле.

При несинусоидално напрежение на захранващата мрежа се увеличават грешките на системите за защита, индукционните измервателни уреди, системите за импулсно-фазов контрол, работата на телемеханичните устройства се влошава и др. Използването на допълнителни технически средства за защита на тези системи, като електрически и автономни захранвания, увеличава тяхната цена. По-високите хармоници също затрудняват използването на захранващи кабели като комуникационни кабели за телемеханични системи. Това води до допълнителни разходи за организиране на специални комуникационни канали, а в някои случаи налага използването на по-скъпи телемеханични устройства.