В настоящее время самой распространенной схемой выпрямления для мощных преобразователей является трехфазная мостовая схема (схема Ларионова), представленная на рисунке 1.1, а. Эта схема выпрямления позволяет осуществить так называемую шестифазную или шестиимпульсную схему выпрямления. Соединение последовательно или параллельно двух или нескольких выпрямительных мостов при питании их напряжением, сдвинутым на соответствующий угол, позволяет получить 12, 18, 24, 36, 48...-фазные схемы выпрямления (кратные шести). Сдвиг угла напряжения осуществляется применением соответствующих схем соединения первичных или вторичных обмоток трансформатора: Υ — звезда, Δ— треугольник, Z — зигзаг, которые позволяют осуществить практически схемы любой фазности (импульсности) выпрямления.
Рисунок 1.1 - Схемы полупроводниковых преобразовательных агрегатов:
а — агрегат до 6300 А шестифазного режима выпрямления (трехлинейная схема); б — однолинейная схема; в — трехлинейная схема агрегата 12500 А двенадцати-фазного режима выпрямления; г — однолинейная схема; д — однолинейная схема агрегата 25 000 А и его коммутационная аппаратура
Первичным является появление в питающей сети коммутационных искажений напряжения, а гармонический анализ их позволяет выявить наличие высших гармоник напряжения. Порядок высших гармоник определяется формулой n = тk ± 1, где т — число фаз выпрямления; k=0, 1, 2, 3...—последовательный ряд натуральных чисел.
Для шестифазной системы напряжения в кривой питающего напряжения имеются высшие гармоники следующего порядка, называемые каноническими: n=5, 7, 11, 13, 17, 19, 23...; для 12-фазной схемы n=11, 13, 23, 25, 35, 37...; для 24-фазной схемы n=23, 25, 47, 49, 71, 73 и т. д.
Методика расчета коэффициента несинусоидальности напряжения kU основывается на вычислении в любой точке питающей сети действующих значений коммутационных искажений напряжения, что равносильно учету всех высших гармоник. Следовательно, для определения kU при работе вентильных преобразователей нет необходимости определять уровни отдельных гармоник. При этом удается избежать ошибки, возникающей при учете только определенного числа высших гармоник.
Методика позволяет вычислять kU в любой точке питающей сети, используя параметры, полученные при вычислении токов КЗ, и основывается на следующих допущениях: проводимости элементов питающей сети считаются неемкостными. При этом допущении ошибка в расчете не превышает 10—15%. Предполагается, что в узлах сети, расположенных в непосредственной близости от вентильных преобразователей, отсутствуют БК, предназначенные для компенсации реактивной мощности; не учитываются анормальные гармоники.
Коэффициент несинусоидальности напряжения питающей сети определяется по формуле [2]:
(1.1)
Общий коэффициент несинусоидальности питающей сети при работе вентильных преобразователей может быть определен по формуле [2]
где - эквивалентное сопротивление системы в относительных единицах, приведенное к мощности преобразователя Snp, т. е. сопротивление от условной точки сети бесконечной мощности до точки сети, в которой определяется kU; SKЗ — мощность КЗ в точке, в которой определяется kU; хпр — индуктивное сопротивление цепи преобразователя в относительных единицах, приведенное к Snp, т. е. сопротивление от точки возникновения коммутационных КЗ до точки, в которой определяется kU.
Формула (1.3) справедлива для преобразователей с любой последовательностью чередования фаз.
Кроме коэффициента несинусоидальности ГОСТ нормирует коэффициенты n-ой гармонической составляющей. Согласно [4]
При определении kU особое внимание следует обращать на хпр. Чаще всего требуется определять kU на шинах питания мощных тиристорных преобразователей. Под преобразователем подразумеваются выпрямительный мост (или их группа) и питающий понижающий трансформатор.
В этом случае хпр равно сопротивлению преобразовательного трансформатора и определяется по формуле [2]
(1.4)
где Sном,Т — номинальная мощность преобразовательного трансформатора; kp— коэффициент расщепления обмоток этого трансформатора; uк % — сквозное напряжение КЗ трансформатора, приведенное к полной номинальной мощности трансформатора.
Для двухобмоточных трансформаторов, применяемых в шестифазных (трехфазных мостовых) схемах выпрямления, kp =0, трехобмоточных трансформаторов, применяемых в преобразователях, выполненных по двенадцатифазной схеме, в общем виде
где uК(нн1-нн2) — напряжение КЗ между расщепленными вторичными обмотками трансформатора.
В общем случае для трансформаторов с расщепленными обмотками kр=0÷4, если ветви низшего напряжения трансформатора имеют хорошую электромагнитную связь друг с другом, kр=0; если обмотки НН не имеют магнитной связи друг с другом или преобразователь выполнен по схеме с двумя трансформаторами, имеющими разные схемы соединения, то Kp=4.
Действующее значение высшей гармоники напряжения в любой точке питающей сети при работе преобразователя с любой последовательностью чередования фаз выпрямления может быть определено по формуле [2]
где - угол коммутации,рад.
Действующее значение тока любой гармоники в цепи преобразователя определяется из выражения [2]
(1.6)
При работе группы вентильных преобразователей порядок расчета kU cледующий. По приведенным формулам определяются уровни высших гармоник напряжения для каждого преобразователя.
Одинаковые гармоники напряжения всех преобразователей геометрически суммируются Затем определяется коэффициент несинусоидальности:
Особое внимание необходимо обращать на количество учитываемых гармоник, чтобы избежать ошибки в вычислении kU. Чем больше количество преобразователей и фаз выпрямления, тем большее количество гармоник необходимо учитывать. Предлагается следующая эмпирическая формула: