8.6. Высшие гармоники в трехфазных цепях

В трехфазных цепях кривые напряжения обычно имеют одинаковую форму и сдвинуты друг относительно друга на треть периода, т.е.

где T – период основной частоты.

Пусть u_Ak = U_kmsin(k t + _k).

Учитывая, что T = 2, и подставляя вместо t соответственно t – T/3 и t + T/3, получаем

;

Анализируя эти выражения для различных значений k, можно заметить, что напряжения гармоник, кратных трем (k = 3n), во всех фазах имеют одинаковое значение, т.е. образуют нулевую последовательность. При k = 3n +1 гармоники трех фаз образуют симметричную систему напряжений, последовательность которой совпадает с последовательностью фаз первой гармоники (прямая последовательность). При k = 3n + 2 гармоники образуют симметричную систему обратной последовательности.

В силовой электроэнергетике, как правило, отсутствуют постоянная составляющая и четные гармоники.

Рассмотрим некоторые частные случаи.

Если фазы генератора соединены «звездой», то при несинусоидальном фазном напряжении линейные напряжения не содержат гармоник, кратных трем, так как они образуют нулевую последовательность. Это приводит к тому, что отношение линейных напряжений к фазным меньше, чем :

;

т.е. U_л < U_ф.

При симметричной нагрузке фазные токи основной частоты и все высшие гармоники, за исключением гармоник, кратным трем, образуют системы прямой и обратной последовательностей, и в сумме дают ноль. Гармоники же порядка, кратного трем, образуют систему нулевой последовательности, т.е. имеют в любой момент времени одинаковые значения и направления соответственно токов и ЭДС. Поэтому ток в нейтральном проводе равен утроенной сумме токов высших гармоник нулевой последовательности:

. (8.27)

При отсутствии нейтрального провода токи в каждой из фаз не могут содержать высших гармоник, кратных трем, так как в этой схеме сумма токов в любой момент времени должна быть равна нулю. Поэтому в приемнике нет напряжений от токов нулевой последовательности, и между нейтральными точками генератора и симметричного приемника может появиться значительное напряжение, содержащее только гармоники, кратные трем.

Если фазы генератора соединены «треугольником», то при несинусоидальных ЭДС в фазах, сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре генератора, равна утроенной сумме гармоник, кратных трем. Если включить вольтметр в рассечку треугольника, то он измерит гармоники ЭДС, кратные трем (схема разомкнутого треугольника), так как остальные гармоники в сумме дадут нуль (рис. 8.4). Такая схема может применяться как утроитель частоты.

Если фазы соединены в замкнутый треугольник, то гармоники, кратные трем, вызывают внутренний ток даже в режиме холостого хода. Фазные ЭДС не содержат гармоник, кратных трем, так как они компенсируются падением напряжения на внутренних сопротивлениях фазы.

Поэтому во внешней цепи токи не содержат гармоник порядка, кратного трем.

Фазный ток генератора при симметричной нагрузке

. (8.28)