УДК 621.316.13

ОСОБЕННОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Добуш Василий Степанович
Горный университет

Аннотация
При современном развитии технологий силовой электроники становится реальным всевозможные преобразования электрической энергии при мощности нагрузки от нескольких ватт до нескольких десятков мегаватт при помощи силовых ключей-тиристоров, IGBT и MOSFET-транзисторов с частотой коммутации до нескольких десятков килогерц. При этом доля таких приборов непрерывно растет. Их особенностью является потребление несинусоидального тока, и , следовательно, генерация высших гармоник. В статье рассматривается влияние на потребителей токов высших гармоник при наличии в цепи источников несинусидального напряжения со стороны сети и потребителей несинусоидального тока.

Ключевые слова: качество электрической энергии, силовая электроника, схемы замещения


FEATURES OF THE GENERATION OF HIGHER HARMONICS IN ELECTRICAL NETWORKS

Dobush Vasiliy Stepanovich
Mining university

Abstract
At modern development technologies of power electronics becomes real every possible conversion of electrical energy in the power load from a few watts to tens of megawatts of power switches using thyristors, IGBT and MOSFET-transistors with switching frequencies up to a few tens of kilohertz. The share of such devices is growing steadily. Their feature is non-sinusoidal current demand, and hence the generation of higher harmonics. The article examines the impact on consumers of harmonic currents in the presence of a chain nesinusidalnogo source voltage from the network and consumer non-sinusoidal current.

Библиографическая ссылка на статью:
Добуш В.С. Особенности возникновения высших гармоник в электрических сетях // Современная техника и технологии. 2015. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/05/6851 (дата обращения: 26.05.2017).

Искажения напряжения и тока возникают в электрической сети по многим причинам. В зависимости от источника и природы возникновения высших гармоник (ВГ) выбираются способы их компенсации. Область распространения высших гармоник тока и напряжения также влияет на выбор средств борьбы с ними.

Источниками гармоник тока являются различные виды нелинейных нагрузок. Среди них необходимо выделить устройства, преобразующие электрическую энергию, которые построены на силовых полупроводниковых ключах. Приборы на их основе получили широкое распространение в настоящее время в промышленности и в быту.

Наиболее распространенными являются AC/DC (Alternative Current to Direct Current) преобразователи или выпрямители. Данные устройства строятся на основе 6-и и 12-и пульсных схем выпрямления. Остальные многопульсные схемы выпрямления основаны на параллельном соединении 6-пульсных групп. Следует отметить, что увеличение качества потребляемой электроэнергии с увеличением пульсности выпрямления, приводит к значительному росту цены изделия и снижению его надежности.

Как правило, тип источников ВГ определятся алгоритмом производственного процесса. В зависимости от вида промышленного производства можно выделить для него доминирующий вид нелинейной нагрузки, генерирующий токи высших гармоник. Так для металлургического завода таким видом потребителя является вентильный преобразователь. Данная нагрузка относится к мощным концентрированным источникам высших гармоник. Суммарная мощность электронной преобразовательной техники достигает на таком производстве 80-90%.

На химических производствах основной вид нелинейной нагрузки – управляемые вентильные преобразователи. Эти вентильные преобразователи чаще всего выполнены по 12-и пульсной схеме и рассчитаны на напряжение 6- 35кВ при выпрямленном токе 12,5-25кА.[2]

На целлюлозно-бумажных производствах устанавливаются различные механизмы, оснащенные регулируемыми приводами с тиристорными вентильными преобразователями мощностью до 10кВА.[1,3]

В качестве источников ВГ могут выступать также следующие устройства:

- установки электродуговой и контактной сварки. Мощность таких промышленных однофазных автоматизированных устройств достигает 1,5МВА, а трехфазных – нескольких МВА;

- газоразрядные лампы (ртутные и люминесцентные) широко используемые для освещения производственных помещений. Установленная мощность достигает нескольких мегаватт.

В работах по определению влияния высших гармоник  на работу сети принято представлять нелинейную нагрузку источниками тока, которые соединены параллельно и имеют значения амплитуды, соответствующие спектру нелинейной нагрузки.

Однако, при этом начальные фазы этих источников принимаются за 00, т.е. остаются неучтенными энергетические характеристики, а именно – сдвиг фаз между током и напряжением на каждой гармонике. Очевидно, что этот факт, в некоторых случаях, будет иметь большое значение при теоретическом определении влияния высших гармоник на работу электрооборудования.

Как упоминалось ранее, в связи с необходимостью выбора средств компенсации высших гармоник возникает задача определения параметров работы электрической сети.

В качестве объекта исследований выбраны электротехнические комплексы предприятий, содержащие радиальные схемы электроснабжения. Область таких предприятий достаточно широка: рудничные предприятия, обогатительные фабрики, металлургические предприятия и т. п.

Рассмотрим возможные варианты расположения источников высших гармоник на основе простейшей однофазной схемы замещения, которая включает  источник напряжения, линейную часть нагрузки(ЛН) и нелинейную часть нагрузки(ВП) (рисунок 1).

Существуют три варианта взаиморасположения источников высших гармоник:

1.Источником гармоник является только ВП.

2.Источником гармоник является только источник питающего напряжения, нелинейная нагрузка отсутствует.

3.Источником высших гармоник является как нагрузка, так и источник питающего напряжения .

Как известно, при расчетах несинусоидальных режимов работы электросети принято заменять источник несинусоидального напряжения совокупностью источников синусоидального напряжения соединенных последовательно, частоты которых соответствуют частотам гармоник, а амплитуды спектру несинусоидального напряжения. Нелинейную нагрузку – совокупностью источников синусоидального тока, частоты и амплитуды которых соответствуют гармоникам потребляемого нелинейной нагрузкой тока. При этом начальные фазы источников тока и напряжения принимаются равными 00.

В этом случае расчетная схема замещения системы электроснабжения примет вид, представленный на рисунке 2, где совокупностью источников синусоидального напряжения  U(1), U(2), U(n) моделируется фазное напряжение источника питания, совокупностью источников тока I(1), I(2), I(n) моделируется нелинейная нагрузка, ЛН – линейная нагрузка, Ls-индуктивность системы.

Рисунок 1 – Однофазная схема замещения сети

Величина любого тока, протекающего по элементам СЭС(системы электроснабжения), в том числе и тока IЛН, при несинусоидальнольном режиме работы электросети определяется выражением:

I=sqrt{I_{(1)}^{2}+I_{(2)}^{2}+I_{(n)}^{2}}   ,                                      (1)

где I-действующее значение несинусоидального тока, I_{(1)}-действующее значение тока основной гармоники,I_{(2)},I_{(n)}- действующее значение токов высших гармоник. Составляющие рассматриваемого тока  будут определяться по методу наложения на каждой частоте отдельно.

Рассмотрим три варианта схем с источниками ВГ:

В первом варианте взаиморасположения источников высших гармоник на основной частоте расчетная схема будет иметь один источник питающего напряжения и источник тока основной гармоники нелинейной нагрузки. И поэтому на основной гармонике величина угла сдвига фаз будет влиять на расчет цепи. На высших гармониках в цепи будет присутствовать один источник и поэтому, очевидно, величина фазы источника питания не будет влиять на определение параметров цепи;

При втором варианте взаиморасположения источников высших гармоник в рассматриваемой расчетной цепи будет присутствовать один источник питающего напряжения как на основной частоте, так и на высших гармониках, поэтому также как и в первом варианте начальная фаза не будет влиять на определение параметров цепи.

Рассмотрим последний вариант, когда источник несинусоидального  напряжения питает цепь, содержащую нелинейную нагрузку. Тогда по методу наложения ток в цепях будет определяться по выражению (1), но с учетом системы (2):

 left{begin{matrix} dot{I}^{(1)}=dot{I}_{U}^{(1)}+dot{I}_{I}^{(1)}rightarrow I^{(1)}  dot{I}^{(2)}=dot{I}_{U}^{(2)}+dot{I}_{I}^{(2)}rightarrow I^{(2)}  . . . dot{I}^{(n)}=dot{I}_{U}^{(n)}+dot{I}_{I}^{(n)}rightarrow I^{(n)} end{matrix}right. (2)

где dot{I}^{(1)} ,dot{I}^{(2)},...,dot{I}^{(n)}-векторы действующих значений токов ВГ dot{I}_{I}^{(1)},dot{I}_{I}^{(2)},...,dot{I}_{I}^{(n)}- векторы действующих значений токов ВГ, определяемые при влиянии на сеть только несинусоидального питающего напряжения, , ,…  векторы действующих значений токов ВГ, определяемые при влиянии на сеть только нелинейной нагрузки, I^{(1)},I^{(2)},....I^{(n)}- действующие значения токов ВГ.

Составляющие тока на каждой гармонике, определяемые источником питания  и нелинейной нагрузкой , являются векторами, поэтому их векторная сумма существенно зависит не только от амплитуды векторов, но и от их начальных фаз. Следовательно, и действующее значение определяемого тока будет зависеть от начальных фаз указанных составляющих  и .

В результате, неучет фазы токов на различных гармониках в случае наличия источников ВГ как со стороны питающей сети, так и нагрузки приведет к погрешности расчетов, которая может выходить за пределы погрешности допустимой для инженерных расчетов.


Библиографический список
  1. Arrillaga, J.; Smith, B.C.; Watson, N.R.; and Wood, A.R.; Power Systems Harmonic Analysis, John Wiley & Sons, 1997.
  2. Ewald F. Fuchs, Mohammad A.S. Masoum. Power Quality in Power Systems and Electrical Machines c. 635
  3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. – 4-е изд., перераб. и доп. – М: Энергоатомиздат, 2000. – 331 с.


Все статьи автора «griimov»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: