Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

(2.1)

U₍₁₎ - действующее значение междуфазного (фазного) напряжения 1-ой гармоники (основной частоты);

U₍₂₎, U₍₃₎, U₍₄₀₎ - действующие значения междуфазного (фазного) напряжения высших гармоник, кратных по частоте основной гармонике (при определении коэффициента искажения синусоидальности KU стандарт предписывает учитывать гармоники только от 2-ой до 40-й и не учитывать гармоники, уровень которых менее 0,1%);

коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения

(2.2)

n - номер гармонической составляющей, кратной основной частоте, в спектре сетевого напряжения.

В результате сложения основной (1-ой) гармоники номинальной частоты питающей сети с появившимися по разным причинам высшими гармониками форма синусоиды искажается.

2.2 Причины появления гармонических искажений

Гармонические искажения напряжения сети обусловлены нелинейными искажениями в полупроводниковых элементах преобразователя частоты.

Нелинейными искажениями называют искажения формы выходного сигнала, обусловленные нелинейностью элементов. Основная причина появления нелинейных искажений — нелинейность входных и выходных характеристик транзисторов и тиристоров.

Рисунок 2.1–Амплитудная характеристика нелинейного элемента

Чем больше нелинейность элемента, тем сильнее искажается им синусоидальный сигнал, поданный на вход, и тем больше относительная амплитуда высших гармоник в выходном сигнале.

Рисунок 2.2– Синусоидальная волна. (1- без искажений, 2- с искажениями)

Интенсивность гармонических искажений напряжения питания при работе в электросети нелинейной нагрузки зависит:

– от соотношения мощности питающего трансформатора и суммарной мощности нелинейных потребителей. Чем мощнее сеть по отношению ко всем нелинейным потребителям, тем меньше уровень гармонических искажений.

В пределах допустимого значения коэффициента искажения синусоидальности KU, определенного ГОСТ 13109-97, к трехфазной сети может быть подключено сколько угодно нелинейных потребителей с суммарной мощностью, не превышающей, как правило, 10–15 % от номинальной мощности источника питания;

– от протяженности и сечения линии питания от питающего трансформатора до потребителя. Если бы сопротивление сети относительно зажимов каждого отдельного электропотребителя было равно нулю, то искажений синусоидальности напряжения не существовало бы. В реальности сеть для любого электропотребителя представляет собой некое эквивалентное сопротивление, включающее выходное сопротивление питающего трансформатора и распределенное сопротивление питающей линии. Условия эксплуатации нелинейного потребителя на конкретном производстве, объекте, населенном пункте и др. могут увеличить сопротивление сети и тем самым ухудшить качество электроэнергии в части гармонических искажений.[10]

2.3 Влияние высших гармоник на сеть и потребителей сети

Преобразователи частоты представляют собой установки, содержащие устройства силовой электроники с нелинейными вольтамперными характеристиками. Процессы коммутации IGBT-транзисторов, выполняющих генерацию выходной частоты, сопровождаются скачкообразным изменением параметров цепей, приводят к искажениям форм напряжения и тока, как в сети электроснабжения, так и в электродвигателях.

Отрицательные особенности гармонических искажений

Перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий вследствие их перегрузки токами третьей гармоники. Это происходит тогда, когда токи в нулевых рабочих проводниках значительно превосходят токи фазных проводников, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводников не предусмотрена.

Искажение синусоидальности питающего напряжения. Следствием характера тока, потребляемого импульсной нагрузкой, является деформация синусоиды напряжения, действующей на зажимах нагрузки. Синусоида

напряжения становится «плоской», так как в момент импульса тока увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении сети:

. (2.3)

Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в трансформаторах. Эти потери могут привести к значительным потерям энергии и быть причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева.Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву. Срок службы трансформатора зависит от нагрева его частей и не позволяет при несинусоидальном токе использовать трансформатор на всю его номинальную мощность, ее приходится занижать. Кроме того, высокочастотные гармоники тока — это причина появления вихревых токов в обмотках трансформатора, что вызывает дополнительные потери мощности и перегрев трансформатора. Для линейных нагрузок, потери на вихревые токи составляют в общих потерях приблизительно 5%, с нелинейной нагрузкой они иногда возрастают в 15—20 раз.

В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов. Батареи конденсаторов предназначены для компенсации реактивной мощности нагрузки, то есть для повышения коэффициента мощности электроустановки здания. Однако в условиях несинусоидальности тока батареи конденсаторов одновременно являются элементами, абсорбирующими гармоники со всей сети, так как сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте f:

. (2.4)

Так как сопротивления элементов сети имеют индуктивный характер, то при применении установок компенсации реактивной мощности и наличии нелинейных электропотребителей появляется вероятность проявления резонансных явлений на отдельных элементах системы электроснабжения.

Сокращение срока службы электрооборудования из–за интенсификации теплового и электрического старения изоляции. При рабочих t⁰ в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С ростом t⁰ эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования.

Необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств. Этот процесс обусловлен протеканием несинусоидальных токов, и, следовательно, действием поверхностного эффекта и эффекта близости.

Ускоренное старение изоляции проводов и кабелей. Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока, приводящего к повышенному нагреву наружной поверхности жил кабеля вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости.

Помехи в сетях телекоммуникаций могут возникать там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены относительно близко. Вследствие протекания в силовых кабелях высокочастотных гармоник тока, в кабелях телекоммуникаций могут наводиться помехи. Магнитные поля высших гармоник прямой и обратной последовательности частично компенсируют друг друга, поэтому наибольшее влияния на телекоммуникации оказывают гармоники, кратные трем. Чем выше порядок гармоники, тем больше уровень помех, наведенных ими в телекоммуникационных кабелях.[11]

Наиболее типичные вредные явлениями, связанные с питанием двигателей от преобразователей частоты являются:

Высокая скорость нарастания напряжения (dU/dt). При этом параллельные и находящиеся в непосредственной близости друг от друга проводники обмоток могут находиться под полным входным напряжением. Поскольку параллельные проводники фактически представляют собой конденсатор, при постоянном воздействии импульсов напряжения возникают паразитные емкостные токи. Из-за неоднородностей эмалевого покрытия, которые всегда присутствуют в той или иной мере, возникают участки локальной концентрации токов утечки, получившие название «горячих пятен». Как следствие, изоляция в соответствующих местах постепенно разрушается. Таким образом, воздействие крутых фронтов напряжения приводит к ускоренному старению изоляции и снижению срока службы двигателя.

Переходные процессы и перенапряжения. Перенапряжения часто связаны с высокими значениями dU/dt, но могут представлять собой и самостоятельную проблему. Из-за физических свойств обмоток схема замещения двигателя содержит емкость, подключенную параллельно выводам обмоток. Как следствие в случае импульсных напряжений двигатель ведет себя как конденсатор, а не как индуктивность. Кабель, идущий к двигателю, привносит в цепь индуктивность, величина которой растет с увеличением длины кабеля. Указанная индуктивность фактически играет роль дросселя в колебательном контуре. При питании цепи импульсами напряжения в ней возникают перенапряжения при каждой коммутации силовых ключей преобразователя. Амплитуда указанных перенапряжений тем выше, чем выше индуктивность кабеля (и, соответственно, накопленная в нем энергия). При этом перенапряжения могут достигать значений, опасных для изоляции двигателя. С другой стороны снижается воздействие на двигатель высоких значений dU/dt на выходе преобразователя вследствие «заваливания» фронтов за счет большой индуктивности кабеля. Тем не менее, пиковые значения напряжения могут достигать 1600 В или более (в зависимости от напряжения в звене постоянного тока), которые также могут иметь очень высокие значения dU/dt, что связано с отражениями сигнала в длинной линии. В соответствие со стандартом VDE 0530 рекомендуется обеспечить пиковые значения не более 1000 В. Несмотря на снижение влияния dU/dt с выхода преобразователя, условия работы двигателя не улучшаются, т.к. перенапряжения в данном случае являются доминирующим фактором.

Дополнительные потери в двигателе. Помимо проблем с изоляцией обмоток прямоугольная форма напряжения на выходе преобразователей приводит к еще одному неприятном явлению – появлению высших гармоник в выходном токе. Пульсации тока, обусловленные ШИМ и гармониками, ведут к возрастанию потерь в стали. Как следствие срок службы двигателя существенно снижается из-за постоянной работы при повышенной температуре.

2.4 Основные методы снижения гармонических искажений от преобразователя частоты

Способы снижения гармонических искажений можно разделить на проектно-конструкционные решения и применение фильтрующих устройств подавления гармоник.

Проектно-конструкционные решения

Выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин (разделение линейных и нелинейных нагрузок).

Снижение полного сопротивления распределительной сети. Это один из эффективных методов снижения нелинейных искажений. Кабели и сборные

шины имеют полное сопротивление, имеющее в значительной степени индуктивный характер. Увеличение сечения кабелей (проводов) снижает

активное сопротивление распределительной сети, но не снижает ее индуктивность. Максимальное эффективное сечение жил кабелей (проводов) составляет приблизительно 95 мм2. С дальнейшим увеличением сечения кабелей их индуктивность остается относительно постоянной. Более эффективным является использование параллельно соединенных кабелей (проводов).

Применение 12-пульсного выпрямителя. Например, для снижения величины коэффициента искажения синусоидальности токов трехфазных источников бесперебойного питания (ИБП) до уровня менее 10 % используют 12-полупериодные выпрямители . Применение 12-пульсного выпрямителя

позволит полностью подавить 5-ю и 7-ю гармоники в питающем токе выпрямителя .

Подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания. Практически это означает замену трансформатора

питания на более мощный.

Обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы. Необходимо добиться, насколько это возможно, сбалансированности

нагрузок по фазам. При этом обеспечивается минимальный ток в проводнике нейтрали и минимальное содержание гармоник в выходном напряжении источника бесперебойного питания (в случае его применения, например, для питания компьютера).[11]

Характеристики

Список файлов ВКР