Статический преобразователь как источник гармоник и другие источники гармоник

Для правильного расчета гармоник тока, генерируемых стати­ческими силовыми преобразователями, необходимо иметь точную информацию о форме кривой напряжения переменного тока на выводах преобразователя, его схеме, типе системы управления, полном сопротивлении сети переменного тока и параметрах цепи постоянного тока. Однако представление столь значительного числа факторов с самого начала затруднит понимание основных положений теории. Более удобно начать оценку явления с изло­жения теории управления преобразователем, работающим в идеа­лизированных системах переменного тока и постоянного тока, а затем рассмотреть поочередно влияющие факторы.

В зависимости от положения момента включения одного венти­ля относительно другого при устойчивой работе преобразователя различают четыре принципа управления:

1. Управление с постоянным фазовым углом, при котором включение вентилей производится через равные промежутки вре­мени в соответствии с их коммутационными напряжениями;

2. Симметричное управление, при котором последовательное включение вентилей производится в одинаковые моменты сину­соиды питающего напряжения;

3. Модулированное фазовое управление, при котором вклю­чение вентилей производится через переменные промежутки вре­мени;

4. Интегральное управление, выбирающее целое число цик­лов или полуциклов питающей частоты.

Изменение фазового угла - наиболее широко используемый способ управления. Спектральный анализ Фурье прямо применим к кривым, получающимся при фазовом и симметричном управле­нии вентилями.

Увеличилось количество и единичная мощность принудитель­но коммутируемых преобразователей, в особенности инверторов, питающих привод переменного тока. Их питающим источником обычно служит система переменного тока, от которой питается выпрямитель. Гармонический же состав кривой на стороне инвер­тированного тока имеет характерные особенности.

Управление с постоянным фазовым углом обычно встречается в нормально коммутируемых статических преобразователях и ре­гуляторах напряжения.

Регуляторы напряжения переменного тока, состоящие из встречнопараллельно включенных пар тиристоров в каждой фазе, генерируют изменяющиеся по амплитуде гармоники. В случае индуктивной нагрузки они могут содержать гармоники четных порядков и постоянный ток. Хотя тиристорное регулирование на­пряжения в настоящее время используется в основном в мало­мощных устройствах (таких, как регуляторы силы света электри­ческих ламп и малые асинхронные двигатели), однако в связи с возрастающим интересом к экономии электроэнергии их исполь­зование будет расти, и они могут в будущем превратиться в суще­ственный источник гармонических искажений.

Основными источниками гармоник тока в настоящее время являются выпрямители и инверторы с фазовым управлением. Все они могут быть разделены на три большие группы:

1 - большие преобразователи, используемые, например, в металлургии и в пе­редачах постоянного тока высокого напряжения;

2 - преобразова­тели средней мощности, подобные используемым в промышлен­ности для управления электромоторами и на железной дороге;

3 - маломощные преобразователи однофазных устройств, таких, как телевизоры и устройства перезарядки батарей.

Формы кривых напряжений и токов преобразователей первой группы близки к идеальным и могут быть приняты за основу для получения характеристик гармоник стандартных схем преобразо­вателей. На эти данные обычно ссылаются при оценке гармоник в кривых, отличающихся от идеальной.

До появления статических преобразователей наличие гармонических искажений в энергосистемах ассоциировалось, в первую очередь, с работой электрических машин и трансформато­ров. И, действительно, основными источниками гармоник, суще­ствовавшими ранее в электрических системах, были намагничива­ющие токи силовых трансформаторов.

После того как выполнение требований по конструированию экономичных генераторов привело к искажению формы кривой напряжения, генераторы электрических станций стали вторым ос­новным источником гармоник.

Современные трансформаторы и вращающиеся машины в нормальных условиях работы не вносят существенных искажений в сеть. Однако в переходных процессах и в условиях работы, отлич­ных от проектируемых, эти искажения могут сильно увеличиться.

Кроме статических преобразователей, существует еще два вида нелинейных нагрузок, чье влияние на формы кривых напряжения и тока должно быть рассмотрено, - это дуговые печи и флюорес­центные лампы.