Лекции по ТОЭ/ №53 Высшие гармоники в трехфазных цепях.

В симметричном трехфазном режиме токи и напряжения в фазах сдвинуты взаимно во времени на Δt = T/3 в порядке следования фаз А → В → С → А, что в градусной мере составляет: для 1 гармоники Δωtt = = 120°, для 2 гармоники 2Δωt = 2·360°/3 = 240= -120°, для 3 гармоники Δ3ωt = 3·360°/3 = 360° = 0, и т. д.

Из этого следует, что в симметричной трехфазной системе гармоники с порядковым номером к = 3n-2 (n = 1, 2, 3…), т.е. 1-я, 4-я, 7-я и т.д., имеют прямой порядок следования фаз А → В → С → А и, следовательно, образуют симметричные системы прямой последовательности. Гармоники с порядковым номером к = 3n+1 (2-я, 5-я, 8-я и т.д.) имеют обратный порядок следования фаз А → С → В → А и, следовательно, образуют симметричные системы обратной последовательности. Гармоники с порядковым номером к=3n (3-я, 6-я, 9-я и т.д.) имеют нулевой порядок следования фаз, т.е. совпадают, и, следовательно, образуют симметричные системы нулевой последовательности.

Пусть обмотки трехфазного генератора соединены по схеме звезды с выводом нулевой точки, а его фазные напряжения (ЭДС) содержат все возможные гармоники (рис.53.1).

B функциях фазных напряжений будут содержаться все гармоники с соответствующими их номеру сдвигами фаз:

u_A(t) = U_1msinωt +U_2msin2ωt + U_3msin3ωt + …

u_B(t) = U_1msin(ωt - 120°) +U_2msin(2ωt + 120°) + U_3msin3ωt + …

u_C(t) = U_1msin(ωt + 120°) +U_2msin(2ωt - 120°) + U_3msin3ωt + …

Векторные диаграммы напряжений для 1-й, 2-й и 3-й гармоник показаны на рис. 53.2 а, б, в.

Линейные напряжения равны разности соответствующих двух фазных напряжений, например u_AB = u_A - u_B. Как следует из векторных диаграмм амплитуды линейных напряжений для гармоник прямой и обратной последовательностей в √3 раз больше их фазных значений, а гармоники нулевой последовательности (кратные трем) в линейных напряжениях вообще отсутствуют (равны нулю):

u_AB(t) = √3U_1msin(ωt + 30°) + √3U_2msin(ωt - 30°) + 0 +...

u_BC(t) = √3U_1msin(ωt - 90°) + √3U_2msin(ωt + 90°) + 0 +...;

u_BC(t) = √3U_1msin(ωt + 150°) + √3U_2msin(ωt - 150°) + 0 +...;

Действующие значения фазного и линейного напряжения:

Сравнение полученных уравнений показывает, что при наличии в фазных напряжениях генератора гармоник нулевой последовательности (кратных трем) стандартное соотношение Uл/Uф=√3 не соблюдается, а именно Uл≤√3Uф. Из совместного решения этих уравнений получим:

- действующее значение всех гармоник нулевой последовательности. В реальных трехфазных цепях четные гармоники, как правило, отсутствуют вообще, а амплитуда 9-й гармоники незначительна, поэтому можно приближенно считать, что U0 ≈ U3, и U3m ≈ U0 - амплитуда 3-й гармоники.

Если обмотки трехфазного генератора соединить по схеме треугольника, то гармоники прямой и обратной последовательностей в контуре треугольника складываясь, в сумме дают нуль, а гармоники нулевой последовательности складываются арифметически, и в контуре треугольника будет действовать суммарная ЭДС, равная 3U₀. Даже при незначительных амплитудах гармоник нулевой последовательности в фазных ЭДС, вызываемые ими в контуре треугольника токи могут оказаться значительными по величине, так как внутреннее сопротивление обмоток очень мало. Это привело бы к дополнительным потерям энергии в генераторе и снижению его КПД. По этой причине обмотки трехфазных генераторов запрещается соединять по схеме треугольника.

Расчет трехфазной цепи при несинусоидальном напряжении генератора производится так же, как и любой сложной цепи, а именно, по методу наложения в три этапа. На 1-ом этапе выполняется разложение несинусоидального фазного напряжения в гармонический ряд Фурье. На 2-ом этапе выполняется расчет схемы для каждой гармоники в отдельности, при этом учитывается зависимость порядка следования фаз от номера гармоники. Например, гармоники токов нулевой последовательности могут замкнуться только через нулевой провод, поэтому при отсутствии нулевого провода гармоники кратные трем в фазных и линейных токах равны нулю.

На заключительном этапе расчета определяются действующие значения токов, напряжений, активные мощности.

В случае симметричной трехфазной нагрузки расчет токов и напряжений для каждой гармоники можно выполнять только в одной фазе А, а соответствующие токи и напряжения в других фазах определять через поворотные множители “а”, “а2” с учетом порядка следования фаз.

<div><img src="//mc.yandex.ru/watch/9962440" style="position:absolute; left:-9999px;" alt="" /></div>