Ряд электроприемников имеет нелинейную зависимость потребляемого тока от приложенною напряжения, поэтому они потребляют из сети несинусоидальный ток. Этот ток протекая из системы по элементам сети, вызывает в них, несинусоидальное падение напряжения, которое
"накладывается" на приложенное напряжение и искажает его. Искажение синусоидальности напряжения происходит во всех узлах от источника питания до нелинейного электроприемника.
Источниками гармонических искажений являются:
-
дуговые сталеплавильные печи,
-
вентильные преобразователи,
-
трансформаторы с нелинейными вольт-амперными характеристиками,
-
преобразователи частоты,
-
индукционные печи,
-
вращающиеся электрические машины,
-
питаемые через вентильные преобразователи,
-
телевизионные приемники,
-
люминесцентные лампы,
-
ртутные лампы.
Последние три группы характеризуются низким уровнем гармонических искажений отдельных приемников, но их большое количество определяет значительный уровень гармоник даже в сетях высоких напряжений.
Смотрите также: Источники гармоник в электрических сетях и Причины появления высших гармоник в современных системах электроснабжения
Способы снижения несинусоидальности напряжения можно разделить на три группы:
а) схемные решения: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, рассредоточение нагрузок по различным узлам СЭС с подключением параллельно им электродвигателей, группирование преобразователей по схеме умножения фаз, подключение нагрузки к системе с большей мощностью,
б) использование фильтровых устройств, включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров, включение фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) применение фильтросимметрирующих устройств (ФСУ), применение быстродействующих статических источников реактивной мощности (ИРМ), содержащих ФКУ,
в) применение специального оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник использование "ненасыщающихся" трансформаторов, применение многофазных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями.
Развитие элементной базы силовой электроники и новых методов высокочастотной модуляции привело к созданию в 70-х годах нового класса устройств, улучшающих качество электроэнергии – активных фильтров (АФ). Сразу же возникла классификация активных фильтров на последовательные и параллельные, а также на источники тока и напряжения, что привело к получению четырех базовых схем.
Каждая их четырех структур (рис 1. 6) определяет схему фильтра на рабочей частоте: ключей в преобразователе и вид самих ключей (двунаправленный или однонаправленный ключ). В качестве накопителя энергии в преобразователе, служащем источником тока (рис 1.а, г), используется индуктивность, а в преобразователе, служащем источником напряжения (рис 1. б, в), используется емкость.
Рисунок 1. Основные типы активных фильтров: а - параллельный источник тока; б - параллельный источник напряжения; в - последовательный источник напряжения; г - последовательный источник тока
Известно, что сопротивление фильтра Z на частоте w равно
При ХL = ХC или wL = (1/wС) на частоте w наступает резонанс напряжений, означающий, что сопротивление фильтра для гармонической и составляющей напряжения с частотой w равно нулю. При этом гармонические составляющие с частотой w будут поглощаться фильтром и не проникать в сеть. На этом явлении основан принцип построения резонансных фильтров.
В сетях с нелинейными нагрузками возникают, как правило, гармоники канонического ряда, порядковый номер которых ν 3, 5, 7, . . ..
Рисунок 2. Схема замещения силового резонансного фильтра
Учитывая, что XLν = ХL, ХCv = (XC/ν), где XL и Xc – сопротивления реактора и конденсаторной батареи на основной частоте, получаем:
Такой фильтр, который, помимо фильтрации гармоники, будет генерировать реактивную мощность, и компенсировать потери мощности в сети и напряжения, носит название фильтрокомпенсирующего (ФКУ).
Если устройство, помимо фильтрации высших гармоник, выполняет функции симметрирования напряжения, то такое устройство называется фильтросимметрирующим (ФСУ). Конструктивно ФСУ представляют собой несимметричный фильтр, включенный на линейное напряжение сети. Выбор линейных напряжений, на которые подключаются фильтрующие цепи ФСУ, а также соотношения мощностей конденсаторов, включенных в фазы фильтра, определяются условиями симметрирования напряжения.
Из вышесказанного следует, что устройства типа ФКУ и ФСУ воздействуют одновременно на несколько показателей качества электрической энергии (несинусоидальность, несимметрия, отклонение напряжения). Такие устройства для повышения качества электрической энергии получили название многофункциональных оптимизирующих устройств (МОУ).
Целесообразность в разработке таких устройств возникла в связи с тем, что резкопеременные нагрузки типа дуговых сталеплавильных печей вызывают одновременное искажение напряжения по ряду показателей. Применение МОУ позволяет комплексно решать проблему обеспечения качества электроэнергии, т.е. одновременно по нескольким показателям.
К категории таких устройств относятся быстродействующие статические источники реактивной мощности (ИРМ).
По принципу регулирования реактивной мощности ИРМ можно разделить на две группы: быстродействующие статические источники реактивной мощности прямой компенсации, быстродействующие статические источники реактивной мощности косвенной компенсации. Структуры ИРМ представлены соответственно на рисунке 3, а, б. Такие устройства, обладая высоким быстродействием, позволяют снижать колебания напряжения. Пофазное регулирование и наличие фильтров обеспечивают симметрирование и снижение уровней высших гармоник.
На рис. 3, а представлена схема прямой компенсации, где "управляемым" источником реактивной мощности является коммутируемая с помощью тиристоров конденсаторная батарея. Батарея имеет несколько секций и позволяет дискретно изменять генерируемую реактивную мощность. На рис. 3, б мощность ИРМ меняется с помощью регулирования реактора. При таком способе управления реактор потребляет избыток реактивной мощности, генерируемой фильтрами. Поэтому способ носит название косвенной компенсации.
Рисунок 3. Структурные схемы многофункциональных ИРМ прямой (а) и косвенной (б) компенсации
Косвенная компенсация имеет два основных недостатка: поглощение избытка мощности вызывает дополнительные потери, а изменение мощности реактора с помощью угла управления вентилей приводит к дополнительной генерации высших гармоник.