Специальные вентильные преобразователи, уменьшающие отрицательное влияние гармоник на питающую сеть, основаны на следующих принципах и разработках:
1. Схемы с поочередным управлением последовательно (параллельно) включенными преобразователями. Эти схемы позволяют значительно уменьшить набросы реактивной мощности в переходных режимах работы вентильных электроприводов. Кроме того, удается снизить уровень гармоник сетевого тока и напряжения питающей сети на 10—30%. Так, при последовательном включении управляемого и неуправляемого 6-фазных преобразователей коэффициент несинусоидальности кривой напряжения
(53)
где /Снс(у) и Кнс(н> — коэффициенты несинусоидальности, обусловленные работой управляемого и неуправляемого мостов, взятые в предположении, что взаимное влияние преобразователей отсутствует.
Коэффициенты Л^С(у) и Кшс<н> находим по выражениям, которые получаем на основе гармонического анализа коммутационных импульсов:
где а—угол управления; у и v0—углы коммутации управляемого и неуправляемого преобразователей, находятся из выражений
где 1„.х. — относительная величина коммутационного падения- напряжения.
Выражение (53) позволяет заключить, что по степени искажения кривой напряжения двухмостовая схема с поочередным управлением занимает промежуточное положение между 6- и 12-фазной схемой. Реализация четырехмостовой схемы позволит, очевидно, получить режим преобразования, промежуточный между 12- и 24- фазным.
На рис. 50 показана схема, принятая ВНИПИ Тяжпромэлектропроект для тиристорных приводов широкополосного прокатного стана «2000». Режим, промежуточный между 12- и 24-фазным по уровню коэффициента несинусоидальности, обеспечивается (при поочередном управлении) применением для каждого из последовательно включенных преобразователей направления «вперед» 12- фазной схемы. Эта схема позволила понизить значение Кис в питающей сети 10 кВ с 20% до 14%. Схемы с поочередным управлением имеют лучшие энергетические показатели, чем обычные схемы с одновременным управлением.
Рис. 50. Схема последовательного соединения вентильных преобразователей для двухъякорного двигателя
2. Форму кривой сетевого тока можно улучшить введением тока тройной частоты в схему преобразователя; управлением магнитным потоком, при котором в кривых потока и тока уничтожаются высшие гармоники.
На рис. 51 показано подключение источника тока тройной частоты к преобразователю, коммутируемому по схеме с уравнительным реактором.
Рис. 51. Схема подключения источника тока тройной частоты к преобразователю, коммутируемому по схеме с уравнительным реактором
Рис. 52. Схема компенсации высших гармоник магнитного потока посредством создания намагничивающей силы высших гармоник в третичной обмотке
Выражение для амплитуд гармоник линейного тока имеет вид
где Id — выпрямленный ток преобразователя, А; 1ат — амплитуда накладываемого тока третьей гармоники.
Очевидно, что ток любой гармоники можно уменьшить до нуля подбором соответствующей величины отношения 2IamUd. Компенсация высших гармоник магнитного потока в магнитопроводе трансформатора преобразователя осуществляется путем создания намагничивающей силы (НС) высших гармоник в третичной обмотке трансформатора преобразователя, рис. 52.
Магнитный поток, обусловленный этой НС, имеет направление, противоположное направлению основного потока в трансформаторе, при этом гармоники магнитного потока компенсируются. Настоящая схема позволяет подавлять гармоники как канонических порядков, так и анормальные гармоники потока и линейного тока преобразователя. Осуществление этих схем связано с усложнением и удорожанием преобразователя, снижением его надежности и КПД.
3. Использование многофазных эквивалентных схем преобразователей целесообразно лишь при относительно небольшом (до 10—20%) различии нагрузок преобразователей, работающих в эквивалентном многофазном режиме. Выражение для приближенной оценки значения нескомпенсированных гармоник Д/v в А, нехарактерных для эквивалентного многофазного режима, имеет вид 
где KV = IV/I1\ Id — нагрузка одного из преобразователей, А; /х— первая гармоника тока нагрузки этого преобразователя
- Idz — I<z,— разница выпрямленных токов, преобразователей, работающих совместно в многофазном режиме, A; /v — ток v-й гармоники одного из преобразователей, А.
В табл. 25 представлены средние значения A/v//v для канонических гармоник 5—25-го порядков при Ala/ld = 0,l и а = = 10—50°.
Из приведенных в табл. 25 данных следует, что при реализации эквивалентных 12-фазных схем компенсация 5-й и 7-й гармоник происходит в большей мере; однако нескомпенсированные гармоники порядков v > 17 при а > 20° оказываются значительными. Это же относится и к 24-фазным схемам.
Из изложенного следует, что применение эквивалентных многофазных схем с числом фаз, превышающим 12, приемлемо лишь при весьма точном согласовании нагрузок соответствующих преобразователей. Отметим, что реализация эквивалентных 12-фазных схем с помощью преобразователей, подключенных к разным секциям (система шин), связанных через индуктивность трансформатора или реактора, нецелесообразна. Технически и экономически оправданным решением является применение 12-фазной схемы при мощности преобразователя примерно 2—3 МВт и более. Фирмы «Дженерал Электрик» и некоторые японские изготавливают фазоповоротные трансформаторы, которые дают возможность осуществить эквивалентные 18-, 24- и 36-фазные схемы выпрямления. Жесткие требования к фазности схем выпрямления существуют в Англии. Так, при мощности КЗ на шинах 400 MB * А допускается питание вентильных нагрузок следующих мощностей:
при 6-фазной схеме — 2000 кВт;
при 12-фазной — 7000 кВт;
при 24-фазной — 15000 кВт.
- Схемный способ улучшения гармонического состава сетевого тока применительно к однофазному ИРМ предложен в ИЭД АН УССР. Речь идет об однофазном вентильном ИРМ на базе преобразователя частоты, нагруженного на реактор с линейной характеристикой. В сетевом токе содержится значительное количество гармоник, фазовый сдвиг которых зависит от значения а (любое
целое число, в том числе нуль) и 0 (начальная фаза сигналов управления, поступающих на вентили силовой схемы).
Сущность способа заключается в подключении к сети, вместо одного ИРМ, двух половинной мощности, имеющих общую систему управления. При этом импульсы управления во втором ИРМ сдвигаются на определенный угол по отношению к первому.
Максимальное снижение уровня гармоник имеет место при условии, что 0X — 02 = ± 30°.
Компенсированные вентильные преобразователи (рис. 33), помимо лучших энергетических характеристик, в значительно меньшей степени генерируют токи высших гармоник вследствие фильтрующего действия коммутирующих конденсаторов.
Силовые резонансные фильтры, настроенные на частоты характерных гармоник, являются эффективным средством уменьшения -несинусоидальности напряжения в сетях 6—35 кВ. В СССР имеется опыт выполнения таких фильтров из стандартных серийно выпускаемых промышленностью нерегулируемых элементов: конденсаторов и бетонных реакторов. Методика расчета фильтров и схемы их включения подробно приведены в [14].
Ниже излагаются некоторые рекомендации, вытекающие из обобщения опыта проектирования и эксплуатации таких фильтров. Острая необходимость в установке силовых фильтров имеет место в прокатном производстве и в цехах электролиза, где работают мощные вентильные преобразователи. Так, например, на производстве хлора и каустика одного из химических заводов Украины установлено семь кремниевых преобразователей типа ВАКВ2, в том числе один резервный. Мощность каждого из них 13 MB * А, выпрямленный ток 25 кА, схема выпрямления 12-фазная. Схема их электроснабжения показана на рис. 48.
При раздельной работе силовых трансформаторов (нормальный режим) и одновременной работе двух вентильных преобразователей (одна секция шин 10 кВ) коэффициент несинусоидальности напряжения /Сне = 6%, а с включением секционного выключателя, т. е. при параллельной работе трех преобразователей /Снс возрастает до 7,5%. С целью ограничения уровня высших гармоник для каждой пары секций 10 кВ были установлены по два силовых фильтра, разработанных Киевским отделением УГПИ Тяжпромэлектроироект совместно со Ждановским металлургическим институтом: один, настроенный на 11-ю гармонику, мощностью БК 2400 кВАр и второй, настроенный на 13-ю гармонику, мощностью БК 1920 кВАр. Схема соединения фильтров выполнена в звезду с использованием конденсаторов типа КС-2 напряжением6,6кВ. -Фильтры позволили снизить величину /Сне до 2,5% (при работе двух преобразователей). Опыт их эксплуатации показал, что целесообразным решением может быть использование нерегулируемых фильтров. Ниже в гл. 5 будет приведена подробная методика их выбора. Серийные конденсаторы не обеспечивают регулирования. Необходима разработка специальных конденсаторов и реакторов, предназначенных для работы в схемах силовых фильтров и реакторов.
Фактическая частота гармоники тФ, на которую силовой фильтр имеет резонансную настройку, может отличаться от расчетной. Это объясняется технологическим отклонением параметров элементов фильтра и частоты сети. В соответствии с паспортными данными бетонных реакторов и конденсаторов относительные технологические отклонения параметров индуктивности и емкости соответственно составляют: AL* = 0 — 15% и ДС* в пределах от —5 до +10%. При изменении температуры окружающей среды от —40 до +45° С также имеют место отклонения параметров конденсаторов. С учетом этих отклонений и отклонений частоты сети Д/* = ztz 0,4% расстройка фильтра может быть (-0,884—1,065) vp. Ввиду расстройки фильтров соседних гармоник тока (например 11-й и 13-й) они могут оказаться в режиме резонанса токов или близком к нему между собой и с сетью. В этом случае возможна недопустимая перегрузка фильтров. Экономически и технически целесообразна установка однозвенного фильтра с номинальными параметрами, рассчитанными на частоту дробной гармоники. Для приведенного выше производства хлора и каустика такой гармоникой является v = 12. Однозвенный фильтр сокращает необходимую мощность батарей конденсаторов, число реакторов, площадь установки и объем монтажа. Методика расчета однозвенного фильтра приводится ниже. Исходя из фактической номенклатуры бетонных реакторов, для описанной выше схемы окончательно был принят к установке силовой фильтр, настроенный на гармонику v = 10. Его параметры: мощность батареи конденсаторов Qbk = 3817 кВАр, индуктивность бетонных реакторов Хр = 0,85 Ом (0,4—0,45 Ом). Такой фильтр фильтрует частично токи 11-й и 13-й гармоник. Общий уровень несинусоидальности оказался в пределах нормы, Кнс < 5%. Устойчивость работы конденсаторов в схеме фильтров повысилась.
ВНИПИ Тяжпромэлектропроект разработаны и выданы Минэлектротехпрому СССР технические требования на серию комплектных силовых резонансных фильтров 5, 7, 11, 13-й гармоник с регулируемым (неавтоматически) реактором для сетей 6—10 кВ, мощностью 800 кВАр для 11-й и 13-й гармоник и мощностью 1200 кВАр для 5-й и 7-й гармоник. В 1976 г. изготовлен опытнопромышленный образец фильтра 5-й гармоники мощностью 1200 кВАр напряжением 10 кВ. Данные его эксплуатации показали, что фильтр снизил содержание тока 5-й гармоники в 5 раз. В фильтре использован реактор с замкнутым стальным сердечником. Реактор допускает подрегулировку индуктивности ступенями не более 15% в диапазоне от +25 до —20% номинального значения. Перестройка осуществляется в обесточенном состоянии. При наличии фильтров возможно подключение БК к тем же шинам без защитных реакторов. Схема силового фильтра 0,4 кВ, который осваивается Минэлектротехпромом, показана на рис. 53.
Рис. 53. Схема фильтро-компенсирующего устройства ФКУ 0.4 кВ:
Ф — фильтр высших гармонических; КУ — тиристорный регулятор реактивной мощности (компенсирующее устройство); БК — батарея конденсаторная
Опыт разработки и промышленная эксплуатация фильтров высших гармоник имеется за рубежом (США, Япония, ФРГ и Др.). Обычно это простые режекторные фильтры, состоящие из последовательно включенных нерегулируемых конденсаторов и реакторов. Реакторы фильтров зарубежных фирм, как правило, изготовляют без железного сердечника. Это обеспечивает лучшую добротность, но приводит к увеличению габаритов.
В частности, фирмами ФРГ разработана схема и поставляется оборудование силовых фильтров 2, 3, 4, 5, 7-й гармоник для электросталеплавильного цеха (ЭСП1Х) одного из заводов в СССР. Эти фильтры работают параллельно на напряжении 7,5 кВ. В ЭСПЦ устанавливаются семь ДСП емкостью 90 т каждая и четыре ДСП емкостью 120 т каждая.
