Высшие гармоники в трехфазных цепях. Простейший утроитель частоты

Напряжения трехфазных источников энергии часто бывают существенно несинусоидальными (строго говоря, они несинусоидальные всегда). При этом напряжения на фазах В и С повторяют несинусоидальную кривую напряжения на фазе А со сдвигом на треть периода Т основной гармоники:

.

Пусть для фазы А к-я гармоника напряжения .

Тогда с учетом, что , для к-х гармонических напряжений фаз В и С соответственно можно записать:

Всю совокупность гармоник к от 0 до можно распределить по трем группам:

1. - гармоники данной группы образуют симметричные системы напряжений, последовательность которых соответствует последовательности фаз первой гармоники, т.е. они образуют симметричные системы напряжений прямой последовательности.

Действительно,

.

2. . Для этих гармоник имеют место соотношения:

т.е. гармоники данной группы образуют симметричные системы напряжений обратной последовательности.

3. . Для этих гармоник справедливо

Утроители частоты. В цепях, содержащих катушки со сталью можно осуществлять умножение частоты. Рассмотрим утроители частоты, т.е. устройства, увеличивающие частоту в три раза. Наибольшее распространение получила схема, показанная на рис.8.21 Он состоит из трёх одинаковых однофазных трансформаторов, первичные обмотки которых включены в звезду без нулевого провода, а вторичные – в открытый треугольник. Первичные обмотки подключаются к фазам симметричного трёхфазного источника синусоидального напряжения номинальной частоты. Принцип утроения частоты состоит в следующем. Как ранее мы выяснили в катушке со сталью напряжение и ток одновременно синусоидальными быть не могут. При имеющемся в сети синусоидальном напряжении ток в первичных обмотках катушек должен был быть несинусоидальным и содержать в основном первую и третью гармоники. Однако гармоники, кратные трём образуют систему нулевой последовательности и в указанной схеме замыкаться не могут (нет нулевого провода). Это приводит к тому, что первичные токи становятся практически синусоидальными. В связи с этим магнитные потоки в сердечниках становятся несинусоидальными. Эти магнитные потоки, принизывая вторичные обмотки, наводят в них несинусоидальные ЭДС, содержащие в основном первую и третью гармоники. В схеме открытого треугольника вторичные ЭДС суммируются. По первой гармонике эта сумма даёт ноль (), т.к. первая гармоника образует систему прямой последовательности, а по третей гармонике – утроенную величину, которая и присутствует на выходе утроителя (). Таким образом принцип работы утроителя частоты основан на нелинейности катушки со сталью и на свойстве схемы зведа-звезда без нулевого провода не пропускать токи гармоник, кратных трём. Если включить нулевой провод, то работа утроителя прекращается, поскольку в этом случае к первичным обмоткам непосредственно подключаются фазные напряжения сети, которые являются синусоидальными. В результате этого магнитные потоки в сердечниках тоже становятся синусоидальными, они наводят во вторичных обмотках синусоидальные ЭДС, сумма которых дает ноль. Если доступна нулевая точка источника питания, то утроения частоты можно достичь и не прибегая к трансформации согласно схеме рис.8.22, в которой между нулевыми точками действует напряжение тройной частоты, обусловленное тем, что кривая тока не может содержать гармоники порядка, кратного трём.