Качество электрической энергии в системах с преобразователями

Выпрямитель является генератором электрической энергии постоянного тока. Любой генератор характеризуется напряжением на выходных зажимах. Уровень напряжения определяется внешней характеристикой преобразователя и степенью искажения формы кривой выпрямленного напряжения, то есть содержанием высших гармонических составляющих. Выпрямитель является потребителем электрической энергии переменного тока. Любой потребитель характеризуется качеством формы потребляемого из сети тока. Потребляемый ток характеризуется формой искажения и по величине сдвига кривой сетевого тока относительно тока в сети.

Качество выпрямленного напряжения

Кривая выпрямленного напряжения является пульсирующей кривой. Для нулевых схем – это огибающая фазных напряжений, для мостовых – линейных.

где а – коэффициент схемы, равный отношению амплитуды выпрямленного напряжения к амплитуде фазного напряжения.

Выпрямленное напряжение является периодической функцией и состоит из постоянной составляющей U₁₀, численно равной среднему значению, и переменной составляющей U_d0ν, представляющей суммы высших гармонических составляющих. Разложение кривой выпрямленного напряжения на постоянную составляющую и гармоники производится с помощью ряда Фурье. Кривая выпрямленного напряжения симметрична относительно оси ординат, то есть является четной функцией, а при разложении ее в ряд Фурье синусные коэффициенты равны нулю:

а₀ – постоянный член ряда Фурье;

неуправляемый выпрямитель:

управляемый выпрямитель:

инвертор:

Переменная составляющая представляет собой сумму ряда высших гармоник, порядок которых обозначается n. Порядок гармоники выражается относительно кривой питающего напряжения и равен:

где Т_пит – период питающего напряжения (2π);

Т_n – период n-ой гармоники.

В кривой выпрямленного напряжения могут содержаться только те гармоники, в период которых укладывается целое число раз l в интервале одной пульсации:

из этого следует, что порядок n-ой гармоники определяется по выражению:

Такие гармоники получили название канонических.

Значение амплитуды n-ой гармоники:

в относительных единицах:

Действующее значение:

Из этих выражений видно, что доля n-ой гармоники зависит от ее порядкового номера. При увеличении числа пульсаций уменьшается число гармоник. Доля же каждой данной n-ой гармоники остается прежней.

Действующее значение n-ой гармоники любого преобразователя определяется по выражению:

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения при холостом ходе:

Основным критерием, характеризующим относительную величину переменной составляющей кривой выпрямленного напряжения является коэффициент полной волнистости, то есть отношение эффективного (действующего) значения переменной составляющей к среднему значению выпрямленного напряжения:

для неуправляемого выпрямителя:

для управляемого выпрямителя:

Преимущество отдается преобразователям с большим числом пульсаций, так как из-за меньшей доли высших гармоник в кривой напряжения уменьшается влияние преобразователей на смежные линии связи, работу тяговых машин и рельсовых цепей.

Форма кривой напряжения при нагрузке при синусоидальном и симметричном питающем напряжении искажается из-за процесса коммутации, кроме того, происходим искажение кривой из-за наличия угла α, но порядок гармоник, содержащихся в кривой сохраняется, так как период и продолжительность пульсаций не изменяются. Однако, доля гармоник несколько увеличивается, так как теперь кривая выпрямленного напряжения несимметрична относительно оси ординат. В составе ряда Фурье для нее появятся и косинусные, и синусные члены. Амплитуда гармоник в этом случае определяется как