Какие методы подавления высших пространственных гармоник применяют в машинах переменного тока

Высшие пространственные гармоники магнитодвижущей силы трехфазной обмотки

Полюсное деление МДС высших пространственных гармоник обратно пропорционально номеру гармоники: τ_v = τ /v. Поэтому пространственная периодичность этих гармоник растет пропорционально номеру гармоники (см. рис. 9.1). Учитывая изложенное, запишем уравнение МДС третьей гармоники фазных обмоток:

f_3B = F_3B sin(ω₁t – 120 )cos3(α – 120 ) = F_3A sin (ω₁t –120 )cos3α ;

f_3C = F_3C sin(ω₁t– 240 )cos3α (α – 240 ) = F_3A sin (ω₁t – 240 ) cos3α.

откуда МДС третьей гармоники трехфазной обмотки

т. е. результирующая МДС третьей гармоники в трехфазной об­мотке статора при симметричной нагрузке фаз равна нулю. Это распространяется также и на высшие гармоники, кратные трем (9, 15 и др.). МДС высших гармоник оставшихся номеров (5, 7 и др.) ослабляются распределением обмотки в пазах, укорочением шага катушек и скосом пазов.

n_v = n₁/ . (9.18)

Направление вращения этих МДС зависит от номера гармоники: МДС гармоник порядка 6х + 1 вращаются согласно с МДС основной гармоники — прямовращающиеся МДС, а МДС порядка 6х — 1 вра­щаются встречно МДС основной гармоники — обратновращающиесяМДС (здесь х= 1, 2, 3. ).

Вращающиеся магнитные поля, созданные высшими гармони­ческими составляющими МДС, индуцируют в обмотке статора ЭДС основной частоты). Действительно, частота ЭДС, наведен­ной магнитным полем любой пространственной гармоники,

f_v = n_v p_v/ 60 = n₁ pv/ ( 60) = f₁ (9.19)

где p_v = p ; n_v = n₁/ .

Контрольные вопросы

1. Почему гармонические составляющие МДС обмотки статора называют про­странственными?

2. Какие методы подавления высших пространственных гармоник применяют и машинах переменного тока?

3. Какова зависимость частоты вращения МДС обмотки статора от частоты то ка и числа полюсов в обмотке статора?

4. Как изменить направление вращения МДС обмотки статора?

5. Каково относительное значение магнитной индукции обратной составляю щей поля статора при круговом, эллиптическом и пульсирующем магнитных полях?

Раздел

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Режимы работы и устройство асинхронной машины

Магнитная цепь асинхронной машины

Рабочий процесс трехфазного асинхронного двигателя

Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронного двигателя

Опытное опреде­ление параметров и расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей

Пуск и регулиро­вание частоты вращения трех­фазных асинхронных двигателей

Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

Асинхронные машины специального назначения

Основные типы серийно выпускаемых асинхронных двигателей

Асинхронные машины полу­чили наиболее широкое при­менение в современных элек­трических установках и явля­ются самым распространен­ным видом бесколлекторных электрических машин пере­менного тока. Как и любая электрическая машина, асин­хронная машина обратима и может работать как в генера­торном, так и в двигательном режимах. Однако преоблада­ющее применение имеют асинхронные двигатели, со­ставляющие основу совре­менного электропривода. Об­ласти применения асинхрон­ных двигателей весьма широ­кие — от привода устройств автоматики и бытовых элек­троприборов до привода круп­ного горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мель­ниц и т. п.). В соответствии с этим мощность асинхронных двигателей, выпускаемых элек­тромашиностроительной про­мышленностью, составляет диапазон от долей ватт до ты­сяч киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 кВ. Наибольшее применение имеют трехфаз­ные асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц). Асинхронные двига­тели специального примене­ния изготовляются на повы­шенные частоты переменного тока (200, 400 Гц и более). Основное внимание в данном разделе уделено изучению трехфазных асинхронных дви­гателей общего применения. Но в конце раздела рассмот­рены однофазные и конден­саторные (двухфазные) асин­хронные двигатели, а также двигатели специального на­значения — линейные, испол­нительные и др.

ГЛАВА 10

• Режим работы и устройство асинхронной машины

Источник

Гармонические составляющие сети. Что это такое и как с ними быть

2020-12-17 Статьи 2 комментария

Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети — высших гармониках, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это в свою очередь становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т.д.

Откуда же берутся эти гармонические составляющие?

Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность, емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.

Связано это в первую очередь с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.

Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих, так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники 3-го порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники 5-го порядка – 250 Гц и т.д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.

Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12 %. Также в этом ГОСТ приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для 3-ей гармоники это 5%, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.

Немного расчётов

Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total Harmonic Distorsions).

U (1) – действующее значение напряжения 1-ой гармоники

U (2), U (3) … U (40) – действующие значения напряжения высших гармоник.

Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты.

Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения

n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте

По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.

Основные характеристики гармоник

Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.

Последствия возникновения

Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей?

На самом деле негативных воздействий немало, это увеличение потерь в сетях, перегрев трансформаторов,перегрузки на нейтральных проводах, гармонические шумы, искажение формы синусоидальной кривой, перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности, поверхностный эффект. И это еще перечислены не все негативные последствия данного эффекта. Все эти факторы приводят в конечном итоге к экономическим, энергетическим потерям и сокращению срока службы оборудования.

Измерение показателей гармоник в сети

Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или по другому анализаторы качества электроэнергии.

Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии, таким как:

И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.

Кроме этого, анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы и выходы.

Способы уменьшения гармонических составляющих

На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.

К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей, применение изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник» и «звезда», применение пассивных и активных фильтров.

Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.

Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока, для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока.

Помимо дросселей широко применяются пассивные и активные фильтры.

Пассивный фильтр гармоник

Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).

Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.

Активный фильтр гармоник

Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.

Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.

Источник

Способы подавления гармоник тока в системах электропитания

Настоящая публикация является продолжением темы, поднятой в предыдущей статье [ 1 ].

Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьезные проблемы для систем электропитания. Гармонические составляющие представляют собой токи с частотами, кратными основной частоте источника питания. Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику, приводят к искажению формы тока. В свою очередь искажения тока влияют на форму напряжения в системе электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы.

Наиболее распространенным оборудованием, генерирующим высшие гармоники тока в сеть, являются:

статические преобразователи (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания и т.д.);

газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;

электродуговые печи постоянного и переменного тока;

устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;

электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения;

специальные медицинские приборы и т.д.

Указанные устройства являются генераторами высших гармоник тока в системе электропитания. В зависимости от места своего подключения и процентного соотношения с линейными нагрузками в этой системе они тем или иным образом будут оказывать влияние на другие нагрузки. Увеличение общего действующего значения тока при наличие высших гармонических в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок.

Рассмотрим основные способы подавления высших гармоник тока путем применения:

активных кондиционеров гармоник.

1. Включение линейных дросселей.

Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть является последовательное включение линейных дросселей (рис. 1). Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. При этом снижается коэффициент амплитуды (крест-фактор) K a и коэффициент искажения K и входного тока.

— амплитуда импульса тока,

— действующее значение несинусоидального тока.

— действующее значение основной (первой) гармоники тока,

— действующее значение «n»-ой гармоники тока.

— коэффициент искажения тока.

Рис 1. Кривые токов нелинейных нагрузок:
а) без дросселя, б) при последовательном включении дросселя.

В таблице № 1 приведены значения коэффициента искажения тока на входе трехфазного мостового выпрямителя при различных значениях относительного индуктивного сопротивления дросселя на основной частоте (Х др ) [ 2 ].

28

2. Применение пассивных фильтров.

Различают следующие разновидности пассивных фильтров [ 4 ]:

нескомпенсированный LC-фильтр с коммутатором.

Рис 2. Пассивные фильтры:

некомпенсированный LC-фильтр с коммутатором;

трехфазный вариант LC фильтра.

Нескомпенсированный фильтр содержит продольную индуктивность Др1 и поперечную цепь, состоящую из последовательно включенных индуктивности Др2 и емкости С, настроенных на определенную гармонику (рис. 2а). Если фильтр настроен на 5-ую гармонику, то сопротивление поперечной цепи близко к нулю и ток, потребляемый от источника, не будет содержать эту гармонику. Недостатком такого фильтра является следующее. При использовании в качестве первичного источника питания дизель-генераторную установку ( ДГУ ) с ограниченной установочной мощностью, последний может обеспечить относительно низкое значение емкостной составляющей тока нагрузки (10-30%).

Скомпенсированный фильтр содержит дополнительную поперечную индуктивность Др3, способствующую тому, что фильтр по отношению к генератору имеет индуктивный характер (рис. 2б). Это снижает емкостную составляющую потребляемого тока и облегчает работу генератора в пусковом и установившемся режимах. Однако наличие Др3 приводит к снижению коэффициента мощности системы в целом.

Нескомпенсированный фильтр с коммутатором удобен при использовании ДГУ ограниченной мощности, соизмеримой с мощностью UPS. Поперечная цепь фильтра подключается автоматически только после выхода UPS на номинальный режим (рис. 2в).

Таким образом, не требуется применение ДГУ завышенной мощности и не снижается коэффициент мощности системы.

3. Применение специальных разделительных трансформаторов.

Разделительный трансформатор с обмотками «треугольник-звезда» позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют «перекрестную» (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора.

При несинусоидальных токах возрастают потери в трансформаторах главным образом за счет потерь на вихревые токи, что требует увеличение их установочной мощности или применения специальных К-фактор трансформаторов [ 3 ]. К-фактор трансформаторы отличаются от стандартных тем, что имеют дополнительную теплоемкость, позволяющая выдержать нагревание, вызванное высшими гармониками тока. Кроме того, специальная конструкция такого трансформатора позволяют свести к минимуму потери на вихревые токи и потери из-за паразитной емкости.

К-фактор представляет собой коэффициент, характеризующий вклад высших гармоник в процесс нагрева трансформатора. Если К-фактор равен единице, то это означает, что нагрузка линейная и в цепи протекает синусоидальный ток. Значения К-фактора выше единицы указывают на дополнительные тепловые потери при нелинейных нагрузках, которые трансформатор способен безопасно рассеять.

Обозначим:

— весовой коэффициент гармоники несинусоидального тока,

(4)

Сумма квадратов весовых коэффициентов гармоник при учете всех высших гармоник равна единице. Ограничение числа высших гармоник при расчете К-фактора приводит к определенному уменьшению этого параметра. Ниже приводится таблица расчета К-фактора для нелинейной нагрузки типа однофазного мостового выпрямителя с учетом высших гармоник тока до n=11.

Из приведенной таблице следует, что при коэффициенте искажения тока:

x 100% = 77,1% имеем К-фактор = 6,092.

В мировой практике встречаются характерные значения К-фактора: 4, 9, 13, 20. В помещениях, имеющих нелинейные нагрузки, и компьютерных залах К-фактор обычно составляет 4-9. В зонах с телекоммуникационным оборудованием, высокой концентрацией однофазных компьютерных терминалов К-фактор может достигать значений 13-17 [ 5 ].

4. Применение магнитных синтезаторов.

Магнитный синтезатор, выпускаемый Liebert Corporation [ 3, 6 ], обеспечивает защиту нагрузки от различных искажений электропитания, в частности, от провалов и выбросов напряжения, импульсных и высокочастотных помех, наличия высших гармоник, вызывающих искажения синусоидальной формы входного напряжения. Выходное напряжение магнитного синтезатора на каждом полупериоде основной частоты генерируется путем объединения шести прямоугольных импульсов от связанных между собой трансформаторов с насыщением, аналогично инверторам со ступенчатым (пошаговым) принципом управления. Однако магнитный синтезатор не содержит каких-либо силовых полупроводниковых элементов, выполняя функцию стабилизатора напряжения.

Рис. 3. Блок-схема магнитного синтезатора.

Блок-схема магнитного синтезатора представлена на рис. 3. Линейные дроссели преобразуют входной источник напряжения в источник тока. В этом случае ток блока трансформаторов не зависит от меняющихся в широких пределах (± 40%) значений входного напряжения. Такой способ передачи энергии практически полностью исключает помехи и возможные колебания входного напряжения. Через блок гальванической развязки энергия передается в блок импульсных трансформаторов и блок конденсаторов. Шесть соединенных друг с другом импульсных трансформаторов с насыщением создают форму синтезированного напряжения. Каждый трансформатор генерирует на полупериоде один из шести импульсов с определенной вольт-секундной площадью (рис. 4), обеспечиваемой специальной конструкцией трансформаторов и блоком конденсаторов. Непрерывный обмен энергией, накопленной в блоке импульсных трансформаторов и в блоке конденсаторов, обеспечивает глубокое насыщение сердечников трансформаторов и точную регулировку формируемых импульсов по амплитуде и длительнности.

Рис. 4. Процесс формирования выходного напряжения магнитного синтезатора.

Рассмотрим принцип работы магнитного синтезатора. В любой момент времени пять из шести сердечников блока трансформаторов находятся в режиме насыщения и представляют собой короткозамкнутые контуры. Когда сердечник шестого трансформатора насыщается, напряжение на этом трансформаторе падает практически до нуля, при этом изменяется полярность напряжения на очередном трансформаторе на обратную, вызывая переход его сердечника в ненасыщенное состояние и формирование первого импульса в синтезируемом напряжении следующего полупериода. Такое последовательное переключение импульсных трансформаторов производит серию определенных импульсов напряжения, используемых как блоки для формирования синтезированного напряжения (рис. 4). Это напряжение поступает на нагрузку через фильтры, настроенные на вторую и третью гармоники, что обеспечивает коэффициент искажения выходного напряжения не выше 4% независимо от степени искажения напряжения на входе магнитного синтезатора. Трехфазное выходное напряжение подается к нагрузке через Zig-Zag трансформатор, формирующий нейтраль выходной цепи и обеспечивающий снижение влияния асимметрии нагрузки на работу синтезатора. Даже полностью несогласованная но фазам нагрузка (100% асимметрия) не приводит к изменениям выходного напряжения более чем + 5%, ( 2%. При этом выходная цепь, включая нейтраль, полностью изолирована от входной цепи электропитания.

Вариант реализации принципиальной схемы магнитного синтезатора приведен на рис. 5 [ 7 ].

Рис. 5. Вариант реализации схемы магнитного синтезатора.

На рис.6 представлены регулировочные характеристики при различных величинах загрузки магнитного синтезатора. Как видно из семейства регулировочных характеристик, отклонение выходного напряжения от номинального значения не превышает 5% при изменении нагрузки от 0 до 100% и входного напряжения в пределах ± 40%. При этом магнитный синтезатор поглощает высшие гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, подключенными на его выходе. Коэффициент искажения тока на входе магнитного синтезатора не превышает 8%, независимо от искажения тока нагрузки.

Рис. 6. Регулировочные характеристики магнитного синтезатора.

Некоторые технические характеристики магнитных синтезаторов модели Datawave приведены в таблице № 3.

93 при нагрузке100%,
89 при нагрузке 50%

0,95 при нагрузке 25-100%

150% в течение 20 мин.

±40%

не более ±5%
при нагрузке 0-100%

не более 4%

5. Применение активного кондиционера гармоник

Рис. 7. Схема включения активного кондиционера гармоник (АКГ).

Принцип действия активного кондиционера гармоник (АКГ) основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Ток нелинейной нагрузки содержит основную ( i 1 ) и высшие ( i n ) гармоники:

Диапазон мощностей (КВА)

Входной коэффициент мощности

Перегрузочные способности

Ток короткого замыкания

Точность стабилизации выходного напряжения

Коэффициент искажения выходного напряжения

Коэффициент искажения входного тока

Ток АКГ содержит противофазные току нагрузки высшие гармоники:

В результате ток, потребляемый от источника, практически синусоидален, так как содержит только основную (первую) гармонику:

Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а АКГ покрывает практически весь спектр высших гармоник от 2-ой до 25-ой. АКГ может быть установлен в любой точке распределительной сети и способен компенсировать высшие гармоники от одной или нескольких нелинейных нагрузок.

Модели АКГ, выпускаемые MGE UPS SYSTEM под названием SineWave, могут обеспечить компенсацию действующих значений высших гармоник от 20 до 120 А [ 4 ].

Источник

• ← Капсулы для стирки пуховиков в стиральной машине
• Когда был создан первый российский автомобиль →