Исследование и компенсация высших гармоник

ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Цель работы

Изучение методики исследования высших гармоник тока и напряжения в промышленных электросетях и работы фильтро-компенсирующего устройства.

Теоретические сведения

Источниками высших гармоник токов и напряжений в распределительных электросетях являются так называемые нелинейные нагрузки. Это потребители электроэнергии, вольт-амперная характеристика которых нелинейна. К ним относятся: традиционные вентильные преобразователи, газоразрядные лампы, электродуговые печи, сварочные установки и др. Нелинейные нагрузки потребляют из сети несинусоидальный ток, что приводит к появлению в сети несинусоидальных потерь напряжения, которые обуславливают несинусоидальность напряжения в узлах сети.

Высшие гармоники отрицательно влияют на работу электрических сетей и некоторых электроприемников, поэтому при значительном их уровне необходима разработка мероприятий для улучшения формы кривой напряжения в сети.

Периодическую несинусоидальную кривую напряжения можно разложить в ряд Фурье:

где - постоянная составляющая;

, - амплитуда и фаза n-ой гармоники напряжении;

n = 1 – основная (первая) гармоника напряжения;

n ≥ 2 – высшие гармоники напряжения.

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения.

Для этих параметров несинусоидальности напряжения в [2] приведены нормально допустимые и предельно допустимые значения для сетей различного напряжения.

В моделируемой системе электроснабжения источником высших гармоник является нелинейная нагрузка, подключенная к распределительному пункту РП (рис.6). Эта нагрузка представляет собой мощный неуправляемый однофазный выпрямитель, который потребляет из сети ток, содержащий в идеальном случае следующие канонические гармоники:

За счет не идеальности выпрямителя возможны и другие, так называемые неканонические гармоники, уровень которых относительно невысок.

Распределительный пункт (РП) имеет значительную электрическую удаленность от ТП, т. е. питается линией с большим сопротивлением, и поэтому в напряжении на шинах РП имеется довольно существенный уровень высших гармоник. Для снижения этого уровня установлено фильтро-компенсирующее устройство (ФКУ) третьей гармоники.

Лабораторная работа включает два этапа исследований. Первый – оценка уровня высших гармоник напряжения на шинах РП при отключенном ФКУ. Второй – оценка эффективности снижения уровня высших гармоник на шинах РП с помощью ФКУ третьей гармоники.

Уровень высших гармоник напряжения или тока в действующих электроустановках определяют с помощью специальных измерительных приборов, принцип работы которых состоит в следующем. Исходная несинусоидальная кривая разбивается на К равных интервалов и с помощью аналого-цифрового преобразователя определяются цифровые координаты u_k для каждого интервала. Затем графо-аналитическим методом рассчитываются действующие значения напряжения всех гармоник и их фазы по отношению к первой гармонике.

Таким же путем оценивается уровень высших гармоник напряжений и токов в данной лабораторной работе. Необходимые исходные данные для расчета можно получить с помощью цифрового осциллографа либо считывая по точкам координаты несинусоидальной кривой с экрана осциллографа с дальнейшим ручным вводом в компьютер, либо автоматически по линии связи осциллограф-компьютер. При этом, чем больше величина К, тем точнее результаты расчетов. Расчеты проводятся на компьютере с помощью программы GARM1.

Погрешность расчетов определяется точностью оцифровывания несинусоидальной кривой. Считывание координат с экрана осциллографа, конечно, не может дать точных результатов, но их все-таки можно использовать для приближенных оценок. Автоматический ввод данных в компьютер с осциллографа обеспечивает более высокую точность расчетов, особенно при больших К.

Фильтрокомпенсирующее устройство ФКУ или силовой фильтр ν-ой гармоники представляет собой последовательно соединенные конденсаторную батарею и реактор, имеющие равное сопротивление на частоте ν-ой гармоники. На рис. 6 приведены эквивалентная схема сети для высших гармоник (n=2,3,…) и частотная характеристика ФКУ (ν=3).

На эквивалентной схеме нелинейная нагрузка замещается эквивалентным источником тока (I_n ) отдельно для каждой гармоники. ФКУ для ν – ой гармоники представляет последовательно соединенные реактор - конденсаторная батарея, параметры которых определяются следующим соотношением:

где ω – угловая частота первой гармоники (314 рад/c),

L_P – индуктивность реактора,

С_Б – емкость батареи конденсаторов.

Таким образом, на частоте ν – ой гармоники реализуется резонанс напряжений, сопротивление ФКУ для этой гармоники Х_Фν = 0 и токи источника тока и ФКУ равны: I_ν = I_Фν.

Для первой гармоники ФКУ является эквивалентной емкостью С_ФЭ, то есть источником реактивной мощности.

Порядок выполнения работы (задание)

6.3.1. Подготовить установку к осциллографированию напряжения на шинах РП и тока нелинейной нагрузки: включить установку; включить нагрузку S₁, трансформатор Т4 (остальные элементы мнемосхемы могут быть в любом состоянии); выключить ФКУ; включить осциллограф и подключить его к соответствующим клеммам на мнемосхеме; настроить осциллограф так, чтобы период исследуемой кривой занимал весь его экран; запустить установку нажатием кнопки «Пуск»; следить за формой исследуемой кривой напряжения на экране осциллографа.

6.3.2. В момент времени, заданный преподавателем, остановить моделирование суточного графика кнопкой «Остановка», чем обеспечивается стабильность исследуемых кривых на экране осциллографа. При ручном вводе исходных данных в компьютер считать координаты исследуемых нелинейных кривых с экрана осциллографа поочередно для каждого интервала, сдвигая развертку на экране соответствующей клавишей управления осциллографом. При использовании автоматического ввода данных с осциллографа в компьютер, осуществить ввод этих данных для двух кривых: напряжения на шинах РП и тока в нелинейной нагрузке.

6.3.3. Рассчитать на компьютере гармоники для напряжения и тока с помощью программы GARM1.

Для кривой напряжения рассчитать коэффициент искажения синусоидальности и коэффициенты высших гармоник до 13-ой включительно. Начертить на графике исследуемые кривые напряжения и тока и их гармоники с 1-ой по 5-ую. Оценить полученные результаты на соответствие требованиям ГОСТ 13109-97.

6.3.4. Включить ФКУ и произвести осциллографирование (аналогично вышеуказанному) кривых напряжения на шинах РП и тока в ФКУ.

6.3.5. Аналогично п. 6.3.3. вычислить гармоники для исследуемых кривых. Для напряжения на шинах РП рассчитать коэффициент искажения синусоидальности и сравнить его значение со значением, вычисленным в п. 6.3.3. Начертить на графике исследуемые кривые напряжения и тока и их гармоники с 1-ой по 5-ую. Провести анализ и оценить полученные результаты на соответствие требованиям ГОСТ 13109-97.

6.3.6. Оформить отчет по лабораторной работе.

Контрольные вопросы

6.4.1. Каковы причины появления высших гармоник напряжения в электрических сетях?

6.4.2. В каких случаях и почему вентильные преобразователи потребляют из сети несинусоидальный ток?

6.4.3. Какое влияние оказывают высшие гармоники напряжения на работу электрических сетей и электрооборудования?

6.4.4. Какие существуют пути уменьшения высших гармоник напряжения в электрических сетях? В чем состоит принцип работы пассивных и активных ФКУ?

6.4.5. Начертите векторную диаграмму токов и напряжений ФКУ (для первой гармоники).

Лабораторная работа №7