Интергармоники в системах электроснабжения промпредприятий

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Вып. №8

1999 г

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621 316.1

Жежеленко И.В.1, Саенко Ю.Л.2, Бараненко Т.К.3

ИНТЕРГАРМОНИКИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОС НАБЖЕНИЯ ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ

Изложена теория возникновения интергармоник в электрических сетях с резкопе-ременными и нелинейными нагрузками. Проведен расчет, спектра напряжения и тока для таких нагрузок как сварка, прокатные станы, преобразователи частоты. Показано, что при начичии интергамоник спектр тока и напряжения имеет вероятностный характер.

Интергармоники - это гармонические колебания с частотами, не кратными частоте питающей сети. В амплитудно-частотном спектре они находятся между каноническими гармониками либо каноническими и неканоническими. Для интергармоник с частотой более 50 Гц иногда используется термин «дробные ультрагармоники».

Возникновение интергармоник в ряде случаев обусловлено модуляцией несинусоидальных процессов, кривые которых содержат только кратные высшие гармоники (ВГ), а также низкочастотными колебаниями, характерными для сетей с резкопеременными нагрузками. К таким потребителям относятся, в первую очередь, электродуговые сталеплавильные печи (ЭДСП),1 сварочные установки, тиристорные электроприводы с частотным регулированием! скорости вращения электродвигателей. В большинстве случаев эти процессы носят случайный характер, -поэтому, в отличие от рассмотренных ранее ВГ, интергармоники нестабильны по частоте и амплитуде; амплитуды ВГ оказываются значительно меньше амплитуд кратных гармоник (на по- Г рядок и более); их частоты достигают ] ООО Гц.

Оценить с достаточной точностью амплитуды и частоты иигергармоник, обусловленных работой ЭДСП, не представляется возможным в силу нестабильности формы кривой и параметров электрической дуги. Поэтому ограничимся выводом!, имеющим чисто иллюстративный характер. Полагая, что вольтамперная характеристика электрической дуги идеальна (рис. 1), Г кривую напряжения на шинах ЭДСП можно принять прямоугольно-ступенчатой с амплитуда- ? ми, меняющимися от полупериода к полупериоду по случайному закону (рис.2) с равномерным г распределением [1].

Гармонический анализ кривой и (И имеет смысл только на интервале стационарности Т' процесса расплавления; как правило, составляет п == 12+20 периодов основной частоты. Час-; тота этого процесса

, 2я со

со

где со - частота сети; п = — .

со '

Ряд Фурье для кривой и(0 на интервале Т':

з

2

ПГТУ, д-р. техн. наук, проф. ПГТУ, д-р. техн. наук, проф. ПГТУ, аспирант.

и,

Рис.1 - Вольтамперная характеристика электрической дуги

U

ЗТ—t

2Т

v;:

Рис.2 - Кривая напряжения на шинах ЭДСП

Коэффициенты ряда

1 п

Ак = — V

2i-l

sin кя

IV П

(ь 2i"2 sin кл----,

V п )

•t-U; sm

kit

2i -1

n

- sin krc

2i

n

J J

;

i n вк = —У

f

U;

2i - 2 >

cos km

V n j

| - cosj^ ктс

2i -1

Y\

J )

COS

krc

2i

n

cos

кя:

2i -1

\\

ri

J J

На рис.3 представлен характерный амплитудный спектр напряжения, кривая которого содержит интергармоники. Результаты измерений, выполненных с помощью анализатора спектра, подтверждают наличие интергармоник, главным образом, с частотами до 150 Гц; относительные значения амплитуд отдельных интергармоник достигают 7-8 %.

При точечной сварке изделий в питающей сети возникают кратковременные (длительностью до 0,5-0,6с) импульсы тока; характерная кривая изменения тока при точечной сварке приведена на рис.4. На рис.5 приведен рассчитанный на ЭВМ амплитудный спектр тока. Можно заключить, что заметные интергармоники появляются в достаточно узком диапазоне частот 35-75 Гц, а также 150-160 Гц.

Регулирование скорости вращения электродвигателей с помощью тиристорных преобразователей частоты сопровождается появлением значительных, интергармоник в кривых сетевых токов. Частоты и амплитуды отдельных интергармоник зависят от схемы (типа) преобразователя частоты и его режима работы типа приводного электродвигателя, закона регулирования скорости и других факторов; однако во всех случаях имеет место амплитудная модуляция кривых сетевых токов. Какие-либо общие закономерности формирования амплитудного спектра интергармоник, кроме отмеченной выше модуляции, не установлены.

—.....-.....- -------------- 1 .1 1.......

------------

]„. 1 ы........... .............1.1... 1......,.)..)............. .............и.. 1ч.......1.

II 1, .........1...,. 1.1,1. ........ <. .........

Рис.3 - Амплитудный спектр напряжения ЭДСП

Рис.4 - Кривая тока при точечной сварке изделия

о л -

0.2

1 2

..•.'.-д.*

3 4

................

Рис.5 - Амплитудный спектр тока при точечной сварке

В случае трехфазно-однофазного преобразователя частоты, основными элементами которого являются выпрямитель и инвертор, в ¡2] приводится следующее выражение для мгновенного значения сетевого тока:

1(0 =-и

¡ш

I

I

(-1)4- 1)с

'п

:зт( (6 • ц 6 - з + 2) • со т ^ - со , • 1 - +

2ж

+ ЭШ

3

где Ш] и сот - частоты питающей сети и на выходе инвертера,

гг

ф

. 1 О 1К

1ь Фп

. ) _

На рис.6 представлена кривая сетевого тока при11 = =2п • 30 с'1. Амплитудный спектр сетевого тока представлен на рис.7. Обращает на себя внимание значительный уровень гармоник в диапазоне 100-400 Гц. Гармоники 5 и 7-го порядков представляют собою суперпозицию соответствующих канонических гармоник и гармоник, образовавшихся в результате модуляции кривой сетевого тока.

Кривые сетевых токов прокатных станов различных типов., оборудованные тиристорным электроприводом, представляют собой амплтудно-модулироеаиные колебания; как правило, частоты модуляции находятся в пределах 5-г 10 Гц. Диапазон частот значимых интергармоник обычно находится в пределах (0,93-И,07)-50 с'1. Относительные уровни их не превосходят 10%. Следует отметить, что при холостом ходе прокатных электродвигателей уровень интергармоник незначителен.

«г)

-1

0Я2 О 04 Ойб 008 0.1 0.12 0.1'

Рис.6 - Кривая сетевого тока преобразователя частоты при сот = 2я-30 с"1

1,1.. 8 9

СО„

Рис.7 - Амплитудный спектр сетевого тока преобразователя частоты при "'= 2п • 30 с'

На рис.8 представлен амплитудный спектр сетевого тока электропривода прокатного стана-типа «блюминг» в диапазоне частот ( 0,84ч-1,16)<в с .в системах электроснабжения (СЭС){ предприятий возможно появлейре субгармонических колебаний, порядок которых (по отношс-|

ч с пс кс и пс

нию к основной частоте) ; в конкретныхслучаях представляются ряд,ом четных;

либо нечетных чисел. Примером могуг быть колебания, порядок которых 1/2; 1/4; 3/2 или 1/5; 3/5; 7/5 и т.д.

Субгармонические колебания могут возникать как при последовательном, так и при параллельном соединении емкостей и трансформаторов со значительным насыщением, которое имеет место при повышенном - в сравнении с номинальным ~ напряжении. Известен случай возникновения субгармоник порядков 1/5; 3/5 и 1/7; 3/7 с амплитудами до 4+5% в СЭС прокатного: стана типа «блюминг», в которой была использована установка продольной емкостной компенсации питающей линии. В настоящее время в СЭС прокатных степов продольная компенсация/ применяется чрезвычайно редко. Субгармоники могут появляться в нагрузочных ветвях при/ малых значениях нагрузки и наличии батарей конденсаторов (БК) поперечно-емкостной ком-/ пенсации в случае образования резонансного контура на частоте какой-либо субгармоники. ;

К")

OJ

OS

084

OSS

052

- .п....!! Iii II nil:

ose

h u Ii и111

ш

LOS

1.12

1.16

Рис.8 - Амплитудный спектр сетевого тока электропривода прокатного стана типа «блюминг»

Однако вероятность их появления весьма мала, поэтому такие явления возникают чрезвычайно редко. Появление субгармоник может привести к нерегулярным колебаниям тока нагрузки и перенапряжениям, опасным для изоляции. В промышленных СЭС такие явления наблюдались; они характерны для СЭС с протяженными холостыми или слабонагруженными линиями. При строительстве подстанций глубокого ввода 500 и 750кВ на территории предприятия и питании их по протяженным линиям, тем более с установками продольной компенсации, следует прогнозировать возможность появления субгармоник.

Перечень ссылок

1. A.David Graham. Line interharmonic currents in frequency changers. 8th international confer-

ence of harmonics and quality power// Proceedings.- Athens.- 0998. P.749-754.

2. Руденко B.C., Сенько В.П., Чиженко И. М. Основы преобразовательной техники ,-М.:

Высшая школа, 1980,- 423 стр.

Жежеленко Игорь Владимирович. Ректор Приазовског о I осударственного технического университета, академик АН Высшей школы Украины, д-р техн. наук, проф., Заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий ГИ ТУ. (Основные направления научных исследований - проблемы качества электрической энергии; теория электромагнитной совместимости; вероятностные методы расчёта электрических нагрузок.

Саенко Юрий Леонидович. Д-р техн. наук, проф. кафедры электроснабжения промышленных предприятий Приазовского государственного технического университета, окончил Мариупольский металлургический институт в 1984 году. Основные направления научных исследований - проблемы качества электрической энергии; теория расчёта реактивной мощности; вероятностные методы расчёта электрических нагрузок.

Бараненко Татьяна Константиновна. Аспирант и ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий Приазовского государственного технического университета, окончила Приазовский государственный технический университет в 1989 году. Основные направления научных исследований - проблемы качества электрической энергии.