Анонс: концепция и категории преобразователей мощности. Гармонические искажения преобразователей с тиристорной и транзисторной коммутацией. Особенности гармоник 6- и 12-импульсных преобразователей.
Активное использование электронных силовых устройств, в которых такие параметры, как напряжение и частота, меняются для адаптации к конкретным промышленным и технологическим процессам, сделало преобразователи мощности наиболее распространенным источником гармоник в распределительных системах. Электронное переключение помогает преобразовать переменный ток с частотой 50 Гц в постоянный ток, а в цепях постоянного тока напряжение изменяется за счет регулировки угла открытия электронного коммутационного устройства.
В принципе, в процессе выпрямления ток проходит через полупроводниковые устройства только в течение части цикла основной частоты, из-за чего силовые преобразователи часто рассматриваются как энергосберегающие устройства. Если энергия должна использоваться как переменная, но с другой частотой, выход постоянного тока преобразователя проходит через электронный переключающий инвертор, который конвертирует мощность постоянного тока обратно в переменный ток.
Условно все преобразователи можно разделить на следующие категории:
- преобразователи большой мощности, которые используются, например, в металлургической промышленности и в системах передачи постоянного тока высокого напряжения;
- преобразователи энергии среднего размера, которые используются в обрабатывающей промышленности для управления скоростью электродвигателей и в железнодорожной отрасли;
- выпрямители малой мощности, используемые в бытовой технике, включая телевизоры и персональные компьютеры, а также зарядные устройства для аккумуляторов.
Гармонические искажения преобразователей с тиристорной и транзисторной коммутацией
На рис. ниже (а) показано базовое соотношение между током и напряжением, при котором управление с использованием GTO (запирающего тиристора) потребляет ток в течение части положительного полупериода формы волны переменного тока. Из-за действия переключения, происходящего только на одной стороне цикла переменного тока, составляющая постоянного тока содержит целый спектр гармоник (b на рис. ниже), причем и четных, и кратных трем и нулевой последовательности, что характерно для неуравновешенных трехфазных систем.
Если в преобразователе используется другое коммутационное устройство — IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), в котором ток течет только в течение части времени каждого полупериода (а на рис. ниже), спектр гармоник тока изменяется (b на рис. ниже) и в этом случае форма волны не содержит четных гармоник из-за симметрии действия переключения относительно оси x, а проявляются только гармоники нечетной и нулевой последовательности.
Особенности гармоник шести- и 12-импульсных преобразователей
Типичное применение 6-тиимпульсных преобразователей — частотно-регулируемые приводы электродвигателей постоянного тока, причем гармонические токи ihL, создаваемые индуктивностью самого двигателя будут практически ограничиваться стороной нагрузки за пределами шины постоянного тока и вне зависимости от того, является ли преобразователь конфигурацией источника тока или источника напряжения (а и б на рис. ниже).
Из-за коммутации тока с одной фазы на другую в процессе выпрямления на преобразователе на стороне источника будут проявляться гармонические токи ihS, которые могут мигрировать до самого источника переменного тока, и defacto ток, потребляемый мостом, содержит гармоники порядка: n=(P*i±1), где i — целое число, большее или равное 1.
Для 6-импульсного преобразователя P=6 и линейный ток содержит гармонические искажения порядка 5, 7, 11, 13, ...., которые называются характеристическими, а для 12-импульсного (Р=12) преобразователя (два 6-импульсных блока параллельно) характеристическими будут: 11, 13, 23, 25, 35, 37, .... гармоники.
Для шестиимпульсного преобразователя характерны следующие особенности:
- тройные (кратные трем) гармоники отсутствуют.
- гармоники порядка 6k+1 имеют прямую последовательность.
- гармоники порядка 6k-1 имеют обратную последовательность.
12-импульсные преобразователи питаются от трехобмоточного (или фазосдвигающего) трансформатора с разностью фаз между вторичной и третичной обмоткой 30°, каждая из которых подключается к мосту преобразователя. Эти преобразователи генерируют гармоники порядка 12k (±) 1 на стороне источника, причем гармонические токи порядка 6k (±) 1 (при k нечетном), т. е. k=5, 7, 17, 19 и т. д., протекают между вторичной и третичной обмотками трансформатора, но не пробиваются в сеть переменного тока.
На амплитуду гармонического тока на входе преобразователя будет влиять наличие (или отсутствие) сглаживающего реактора, а величину гармоник можно аппроксимировать выражением: |Ih|=|Ifund|/h, где h — порядок гармоники, |Ih| и |Ifund| — модуля гармоник h-го порядка и тока фундаментальной частоты соответственно. Более высокие порядки гармонических токов можно ожидать, если сглаживающий реактор мал или отсутствует, а тройные гармоники могут появляться при несбалансированном напряжении.
Тогда для 6-тиимпульсного преобразователя спектр гармоник будет выглядеть так, как показано на рис. ниже, однако ЭДС тока фундаментальной частоты и гармоник прямой последовательности (от 7-й, 13-й, 19-й и т. д.) положительны, для гармоник обратной последовательности (от 5-й, 11-й, 17-й и т. д.) отрицательны, при взаимодействии создают вращающие пульсирующие моменты и этим объясняется повышенный уровень вибрации, характерный для приводов мощной нагрузки.
На рис. выше видно, что 5-я гармоника может достигать 20 % амплитуды тока фундаментальной частоты, 7-я — 14 %, 11 и 13-я — 9 и 7.7 % соответственно, что априори определяет необходимость превентивного устранения гармонических искажений при использовании преобразователей в силовых сетях объектов. В следующем материале цикла будут рассмотрены особенности преобразователей разной мощности, инвертеров, преобразователей частоты и т. д.
