Гармоники токов в питающей сети с 12-импульсными диодными выпрямителями

Повышение качества электроэнергии сегодня является важной задачей, так как позволяет снизить потери со стороны поставщика энергии и уменьшить возмущение чувствительных однофазных и многофазных нагрузок из-за их подачи с искаженными напряжениями.
Сегодня диодные выпрямители являются основным преобразователем энергии переменного тока, подаваемого из электросети, в энергию постоянного тока. Напряжение постоянного тока, полученное в результате преобразований, дополнительно преобразуется, чтобы обеспечить параметры питания, соответствующие потребностям приемников.

Батарея конденсаторов или аккумуляторов, питаемая от выпрямителя, заставляет трансформатор получать сильно искаженный ток, то есть с высоким содержанием гармоник, например, со значением THDi около 42% на вторичной стороне трансформатора для типичного 6-импульсного выпрямителя и примерно 10% на первичной стороне трансформатора — для последовательного 12-пульсного выпрямителя ( рис. 1. — см. главное фото ). Основная цель этого исследования — изучение чувствительности токов трансформатора Yyd к разнице в емкости конденсаторных батарей или индуктивности реакторов постоянного тока, соединенных с 6-плюс выпрямителями.

12-пульсные диодные выпрямители

На рис. 1 представлена ​​принципиальная электрическая схема последовательного диодного выпрямителя 12-ти импульсного типа, образованного двумя 6-ти импульсными выпрямителями промышленных приводов.

  • Энергия постоянного тока хранится в конденсаторных батареях этих преобразователей.
  • В обсуждаемой системе обе конденсаторные батареи питаются от отдельных 6-импульсных выпрямителей.
  • Задача дросселей постоянного тока состоит в том, чтобы ограничить содержание гармоник в токе, питающем выпрямители, тем самым уменьшая тепловые потери трансформатора.
  • Выпрямитель с 12-импульсной последовательностью может питаться от двух отдельных трансформаторов с конфигурациями обмоток Yy и Yd.
  • Для получения 12 импульсов выпрямленного напряжения используется фазовый сдвиг на 30 ° в обмотках y и d трансформатора.
  • Индуктивности дросселей постоянного тока подбираются аналогично 6-пульсным выпрямителям в преобразователях частоты напряжения [1, 2].
  • Значение индуктивности L дросселя постоянного тока после преобразования для стороны переменного напряжения выпрямителя 3f6d должно вызывать падение фазного напряжения трансформатора примерно на 3% при прохождении номинального входного тока этого выпрямителя.
  • В 12-импульсных выпрямителях мы получаем гармоники в токе первичной обмотки трансформатора с 12n ± 1 строкой.

Чтобы минимизировать содержание гармоник в токе на первичной стороне трансформатора, здесь важна высокая симметрия нагрузки вторичной стороны с выпрямителями 3f6d. Оба выпрямителя 3f6d должны иметь одинаковую нагрузку и, таким образом, вызывать одинаковое влияние искаженных токов на трансформатор питания Yyd.

Имитационные испытания последовательного 12-пульсного выпрямителя

Для проверки чувствительности 12-импульсного диодного выпрямителя к асимметрии выбранных им электрических элементов была построена электрическая модель выпрямителя, которая была введена в специализированный инструмент компьютерных исследований [3]. Модель выпрямителя, использованная в компьютерных тестах, показана на рис.2 .

 

В условиях симметрии напряжения питания и номинальной нагрузки выпрямителя были испытаны токи трансформатора Yyd. Осциллограммы тока первичной и вторичной обмоток трансформатора показаны на

На рис. 3 видно, что степень искажения токов в обмотках трансформатора y и d зависит от номинала реакторов постоянного тока выпрямителей плюс-6. Влияние этих токов на тепловые потери в трансформаторе аналогично влиянию 6-импульсных входных выпрямителей в промышленных преобразователях частоты.

Токи трансформатора
Табл. 1. Распределение спектра гармонических токов трансформатора, питающего 12-пульсный выпрямитель с номинальной нагрузкой (рис. 3). Текущий THDi обмотки Y (AM1.I [A]) составляет 5,23%. Текущий THDi обмотки y (AM3.I [A]) составляет 49,61%. Спектральный анализ ограничивался гармониками с амплитудами более 2% от основной частоты 50 Гц.

Спектр гармонических токов трансформатора, представленный на рис. 3, представлен в табл. 1 . Он показывает, что ток обмотки Y трансформатора содержит гармоники порядка 12n ± 1 (в таблице приведены 11-я и 13-я гармоники). THDi для этого тока составляет 5,23%, что указывает на очень ограниченное влияние 12-импульсного выпрямителя на электросеть. Токи обмоток d и y содержат нечетные гармоники, не кратные 3.

В табл. 1 . ток обмотки y имеет гармоники: 5, 7, 11, 13, 17.

THDi этого тока составляет 49,61%, что указывает на слишком низкое значение индуктивности постоянного тока выпрямителей 3f6d. Обычно предполагается, что THDi входного тока выпрямителя 3f6d должен составлять примерно 42%

Анализ чувствительности по асимметрии выпрямительных элементов пассивного выпрямителя 3f6d выбран емкости конденсаторов C1 и С2 ( рис. 2 . ) И DC индуктивности L9 ( рис. 2 . ).

Емкости конденсаторов могут изменяться во время работы выпрямителей, например, из-за ускоренного испарения электролита из конденсатора. Причиной потери емкости электролитическим конденсатором может быть случайный последовательный резонанс синфазного напряжения инвертора с паразитной индуктивностью и емкостью конденсаторной батареи выпрямителя 3f6d. Это вызовет протекание резонансного тока через конденсатор и увеличит тепловые потери (RI 2 ) в электролитическом конденсаторе.

Индуктивность постоянного тока также может измениться из-за процессов старения. Кроме того, ток в обмотках трансформатора y и d зависит от собственной индуктивности обмоток трансформатора. Неуравновешенность общей индуктивности на пути тока трансформатора, питающего выпрямители 3f6d, может достигать значительных значений в зависимости от способа изготовления системы питания 12-пульсного выпрямителя.

Имитационная проверка чувствительности 12-импульсного выпрямителя проводилась с допущениями:

  1. Емкость конденсаторов С1 и С2 уменьшена до значения 200 мФ (мФ было 400 —  рис.2 . )
  2. Постоянного тока индуктивности L9 снижается до значения 0,8 мГн (1,8 мГн был — . Рис.2 . )

Результаты испытаний представлены в виде осциллограмм тока и их гармоник во всех обмотках трансформатора Yyd.

При раcбалансировке емкости конденсаторной батареи в выпрямителях 3f6d ( рис. 4 ) видны повышенные искажения тока во всех обмотках трансформатора. THDi для тока в обмотке Y увеличился и теперь составляет 12,91%. THDi для ток в обмотке y составляет 54,77%.

12-импульсный последовательный выпрямитель чувствителен к дисбалансу емкостей конденсаторных батарей в отдельных выпрямителях с 6-ю последовательными последовательностями.

Осциллограммы тока трансформатора Yyd показаны на рис.4.

Литература

  1. С. Хансен, Л. Асиминоаи, Ф. Блаабьерг, Простые и продвинутые методы расчета гармоник на стороне линии шестипульсного диодного выпрямителя, Конференция по промышленным приложениям, 38-е ежегодное собрание IAS, 2003.
  2. Я. Шиманский, Гармоники тока и напряжения в питающей сети, вносимые входными выпрямителями приводных преобразователей частоты, «elektro.info» № 9/2007.
  3. Simplorer. Программа компьютерного моделирования силовых электронных устройств ЭВМ — http://simplorer.software.informer.com/7.0/. 2013
  4. С. Хансен, У. Боруп, Ф. Блаабьерг, Квази-12-импульсный выпрямитель для приводов с регулируемой скоростью, Конференция и выставка прикладной силовой электроники APEC’01, 2, 2001.
Theme: Elation by Kaira.
Cape Town, South Africa