Искажение формы фазных токов

При рассмотрении работы трехфазного мостового преобразователя на активно-индуктивную нагрузку на примере схемы замещения рис. 1.2 можно сделать вывод о том, что в любой момент времени к двум фазам из трех подключен источник тока I_d. За весь период сетевого напряжения в каждой фазе возникает ток I_d как прямого, так и обратного направления. При мгновенной коммутации (γ = 0) ток фазы состоит из двух прямоугольных импульсов амплитудой I_d и длительностью 2π/3 (рис. 3.3).

Кривая тока фазы тиристорного преобразователя имеет сложный гармонический состав. При нормальной работе преобразователя в кривой фазного тока отсутствуют постоянная составляющая и четные гармоники – кривая симметрична относительно оси времени. Кроме этого, кривые разных фаз идентичны между собой и сдвинуты на 1/3 периода относительно друг друга. Представление системы таких кривых в виде суммы симметричных составляющих приводит к выводу об отсутствии гармоник, кратных трем. Отсутствие общей точки (нейтрали) у преобразователя также препятствует появлению нулевой последовательности в фазных токах. Таким образом, кривую фазного тока можно представить в виде суммы нечетных гармоник с исключением гармоник, кратных трем:

. (3.3)

Согласно 3.3, если принять содержание 1-ой гармоники в фазном токе за 100%, то процентное содержание гармоник токов высших порядков будет следующее: 5-ая гармоника – 20%; 7-ая гармоника – 14,3%; 11-ая гармоника – 9,1%. Т. е., при мгновенной коммутации кривая фазного тока содержит большой уровень гармоник высоких порядков, действующее значение которых убывает пропорционально номеру гармоники. Появление угла коммутации (рис. 1.8) приводит к сглаживанию кривой и, как результат, к снижению уровня гармоник, в первую очередь высших порядков. В режиме 3 кривая будет стремиться к синусоиде, и относительный уровень гармоник упадет практически до нуля. Таким образом, чем больше ток I_d, тем меньше искажена форма кривой фазного тока.

Искаженная форма фазного тока, содержащая крутые фронты, приводит к сильной вибрации токоведущих частей. Кроме этого, наличие гармоник высоких порядков вызывает дополнительный нагрев магнитопроводов силовых трансформаторов. Поэтому и токоведущие части, и элементы трансформатора должны быть рассчитаны на протекание токов такой сложной формы. Трансформаторы, специально предназначенные для питания полупроводниковых преобразователей, называются преобразовательными и имеют в обозначении индекс «П».

Качественно степень искажения формы тока можно оценить с помощью коэффициента формы – соотношения действующих значений первой гармоники и полного тока:

(3.4)

I – действующее значение тока фазы (RMS – Root Mean Square) – среднеквадратичное значение всех действующих значений гармоник, присутствующих в токе:

(3.5)

Кроме коэффициента формы для оценки степени искажения формы кривой используют коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD – Total Harmonic Distortion), показывающий соотношение действующего значения всех гармоник тока кроме первой к полному действующему значению тока:

.

(3.6)