Расчет искажений синусоидальности кривой напряжения при работе тиристорного преобразователя с фильтрами высших гармоник

1. Цель работы

Освоить методику расчета искажений синусоидальности напряжения на входе тиристорного преобразователя с учетом фильтров высших гармоник.

1. Методические указания к выполнению работы

Эффективным средством улучшения качества напряжения при работе тиристорного преобразователя - (ТП) являются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), состоящие из нескольких последовательных резонансных L-C цепей. Их назначение – компенсировать реактивную мощность ТП на основной частоте и фильтровать высшие гармоники тока, генерируемые преобразователем.

Мощность ФКУ обычно рассчитывают, исходя из двух условий:

1. Обеспечение нормативного коэффициента реактивной мощности (tgφ _н):

. (4.1)

где φ _1, φ _н – углы сдвига фаз в исходной схеме и соответствующий нормативному значению коэффициента реактивной мощности.

2.Обеспечение допустимого фликера напряжения в точке общего присоединения:

. (4.2)

Второе условие проверяют для резкопеременной нагрузки, работающей совместно с регулируемым компенсирующим устройством, например статическим тиристорным компенсатором в составе ФКУ и тиристорно–реакторной группы. В рамках настоящей работы это условие не рассматривается.

Найденное значение реактивной мощности распределяют между несколькими фильтрами таким образом, чтобы обеспечить допустимые искажения синусоидальности кривой напряжения. Распределение мощности по фильтрам производят на основе технико-экономических расчетов, исходя из минимума затрат или суммарных потерь активной мощности. Предварительно реактивную мощность распределяют пропорционально токам высших гармоник.

 

Исходными данными являются следующие параметры:

U_ф – фазное напряжение питающей сети

I_n – начение высших гармоник тока ТП;
Х_S – сопротивление питающей сети;

Q_ν – добротность фильтров, настроенных на ν -ые гармоники.

Ниже приводится порядок расчета фильтров и коэффициента искажения К_ν при совместной работе ТП с ФКУ.

1. Расчетную мощность распределяют между несколькими фильтрами. Для 6-ти пульсной схемы бывает достаточной установка двух фильтров, настроенных на подавление 5-ой и 7-ой гармоник. Для 12-ти пульсной схемы устанавливают обычно фильтры 5-ой, 11-ой и 13-ой гармоник.

2. Рассчитывают емкостные и индуктивные сопротивления фильтров на основной частоте

; , (4.3)

где - коэффициент повышения напряжения на конденсаторе на основной частоте.

3. Определяют проводимость схемы на частотах (n) высших гармоник с учетом фильтров, настроенных на ν 1, ν 2…ν _k гармоники:

, (4.4)

где - суммарная активная проводимость;

- суммарная реактивная проводимость;

-активное сопротивление реактора в составе фильтра ν -ой гармоники;

q_ν - добротность фильтра, изменяется в пределах 30-100 в зависимости от его мощности и напряжения.

4.Находят коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения:
, (4.4)

где n₁ – номер низшей из спектра гармоник тока ТП (5- для 6-ти пульсной схемы, 11- для 12-ти пульсной схемы);

n_k- номер последней гармоники тока, которая учитывается в расчетах.

U_ф(1) – фазное напряжение сети на основной гармонике.

Приведенные формулы для расчета эквивалентной проводимости сопротивления не являются единственно возможными. Существую и другие подходы для аналитического определения Y(n) или Z(n). Например, возможно построение частотной характеристики Z(w) и определение модуля эквивалентного сопротивления на всех наиболее значимых частотах, которые соответствуют гармоникам, генерируемыми ТП.

Для этого с помощью одной из доступных программ строят частотную характеристику Z(w) (рис.4.1), по которой определяют коэффициент ослабления высших гармоник тока, протекающих через сопротивления сети, при включении фильтра. На рис.4.1 приведена частотная характеристика сети без фильтров(1) и с фильтрами(2) построенными на подавление гармоник с частотами f1 и f2.

Коэффициенты подавления канонических гармоник на частотах f3 и f4 определяются по формулам:

, (4.5)

. (4.6)

Рис 3.1. Частотная характеристика сети, 1- исходная без фильтров,
2 – с фильтрами.

Коэффициент при включении фильтров может быть рассчитан по формуле:

. (4.7)

При наличии программы Multisim [13] коэффициент искажения (К_U) определяют с помощью схемы, показанной на рис.4.2.

Рис.4.2. Схема для измерения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения при работе ТП с фильтрами.

Параметры фильтров рассчитывают по емкостным и индуктивным сопротивлениям, например для фильтра 5-ой гармоники:

; . (4.8)

По сопротивлению схемы х_s находят индуктивность (L_s)

. (4.9)

Вольтметр, включенный параллельно L_s, покажет действующее значение всех высших гармоник.

Как правило, установка двух фильтров (5-ой, 7-ой гармоник) бывает достаточной для того, чтобы обеспечить условие K_U< 5% (для сетей 6-20 кВ). В противном случае число фильтров увеличивается и расчет повторяется пока значения K_U не станет меньше допустимого.

После выбора фильтров рассчитывают напряжения на конденсаторе ν -ой гармоники и ток, протекающие через него:

, (4.10)

здесь

, (4.11)

-ток n-ой гармоники в ν -ом фильтре.

Действующее значение тока фильтра ν -ой гармонике:

. (4.12)

Показания вольтметра, присоединенного к конденсатору С₅ соответствуют второму члену подкоренного выражения (4.10), а показания амперметра в цепи фильтра- второму члену подкоренного выражения (4.12).

Конденсаторы проверяют по допустимой перегрузочной способности по току и напряжению:

, (4.13)

, (4.14)

где U_{cν ном} – номинальное напряжении конденсатора в составе ν -го фильтра.

3. Выполнение работы

3.1. В соответствии с вариантом лабораторной работы №3 рассчитать реактивную мощность компенсирующих устройств из условия Q_ФКУ= Q_ТП (для одного из двух ТП, указанных на схеме).

3.2. По материалам лабораторной работы №1 рассчитать токи высших гармоник I_n (n=5, 7, 11, 13, 17, 19).

3.3. Рассчитать коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K_ν в исходной схеме по формуле (4.4) и сравнить с результатами предыдущей лабораторной работы.

3.4. Выбрать фильтр низшей гармоники и рассчитать его параметры L₅, C₅, r₅ (для 6-ти пульсной схемы).

3.5. Собрать схему рис.4.2., сделать измерения высших гармоник напряжений и тока с помощью амперметра и вольтметров.

3.6. Опытным путем найти минимальную емкость конденсатора, при которой величина K_ν не превышает допустимые значение.

3.7. Сделать выводы по работе.

 

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Для питающей сети, данные которой приведены в п.1(Л.Р.№2), рассчитать и построить частотные характеристики для случаев: а) исходный вариант без фильтров; б) на шинах 10 кВ установлен узкополосный фильтр 5-ой гармоники; в) на шинах 10 кВ установлены узкополосные фильтры 5-ой и 7-ой гармоник.

2. Для тиристорного преобразователя, данные которого приведены в п.1(Л.Р.№2) рассчитать параметры фильтров 5-ой и 7-ой гармоник.

3. Для тиристорного преобразователя, данные которого приведены в п.1(Л.Р.№2) проверить возможность непосредственной установки конденсаторных батарей без реакторов.