Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения - искажение синусоидальной формы кривой напряжения.

Электроприёмники с нелинейной вольт­амперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Например, полупроводниковые преобразова­тели потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря - выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы.

Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее.

Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания имеют нелинейную вольтамперную характеристику.

Несинусоидальные кривые можно рассматривать как сложные гармонические колебания, состоящие из совокупности простых гармонических колебаний различных частот. Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающих частоту сети электроснабжения - частоту первой гармоники (f n=1 = 50 Гц, f n=2 = 100 Гц, f n=3 = 150 Гц...).

Рис. 2.3 Напряжение на зажимах нагрузки с вентильным преобразователем.

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования, различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трём).

С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.

ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно.

Амплитуды и фазы высших гармоник токов зависят от углов коммутации и регулирования преобразователей. При ориентировочных расчётах можно пренебречь углом коммутации, и оценку высших гармоник приблизительно можно определить как:

 

. (2.10)

 

В амплитудных спектрах первичных токов могут присутствовать как канонические гармоники (5, 7, 11…), так и неканонические или анормальные (2, 3, 4, 6, 8…). Основной причиной анормальных гармоник является ассиметрия импульсов управления. Влияние анормальных гармоник на гармонический состав невелико и обычно учитывается с помощью поправочного коэффициента.

Всякую периодическую функцию можно представить тригонометрическим рядом Фурье:

 

, (2.11)

 

где А₀ – постоянная составляющая, ν – номер гармоники, a_ν, b_ν - коэффициенты ряда Фурье.

При ν=1 определяется гармоника, называемая основной. Остальные члены ряда называются высшими гармониками.

Коэффициенты ряда Фурье определяются по формулам:

 

(2.12)

(2.13)

 

Амплитуда ν -ой гармоники ,

а её начальная фаза (2.14)

Степень несинусоидальности напряжения сети обычно характеризуют коэффициентом несинусоидальности напряжения, который представляет отношение действующего значения напряжений высших гармоник к напряжению первой гармоники:

 

, (2.15)

 

где U_ν, U₁ – действующие значения напряжений ν -ой и 1-ой гармоник.